Как правило, диоды и тиристоры и прочие полупроводниковые элементы подбираются по номинальным напряжениям и токам. Но иногда возникают ситуации когда выбранных номиналов не достаточно для нормальной работы устройств. В таком случае иногда используют параллельное или последовательное соединение вентилей. Последовательное – для повышения напряжения, проводимого элементами, а параллельное для увеличения тока устройства. Мы рассмотрим такие включения на примере диодов и тиристоров.
Последовательное включение вентилей как правило применяют в высоковольтных установках. Такой способ включения позволяет сэкономить на согласующих трансформаторах (а они как правило дорогие), а также убрать из цепи еще одно звено преобразования энергии (понижающий и повышающий трансформаторы).
Но эта система не так проста как кажется на первый взгляд. Поскольку каждый из вентилей имеет свою вольт – амперную характеристику и не всегда они совпадают. Схема включения таких элементов показана ниже:
Поскольку вентили включены последовательно, то согласно закону Кирхгофа, обратное напряжение, приложенное к тиристорам поделится на количество тиристоров включенных в цепь. В нашем случае на два.
Но как упоминалось выше, каждый тиристор имеет свою вольт – амперную характеристику, она приведена ниже:
Как мы можем видеть из характеристики, при протекании одного и того же обратного тока через вентили, напряжения UR1 и UR2 будут различны. В нашем случае UR1> UR2. Это нужно учитывать, так как UR1 может быть больше допустимого значения, что может привести к выходу из строя устройства.
В еще более тяжелом состоянии оказывается тиристор с меньшим временем восстановления запирающих свойств в динамических режимах. К нему будет прикладываться суммарное напряжение всей системы UR , что может привести к самопроизвольному открытию тиристора или пробоя его структуры.
Поэтому перед включением тиристоров в последовательную цепь проводят их подборку по свойствам восстановления их запирающих свойств с помощью специального устройства или проверка проводится заводом изготовителем по предварительному согласованию.
Так как идеально подобрать все вентили не удается, то применяют различные схемы для защиты их от неравномерного распределения напряжения.
В целях выравнивания напряжения на отдельных приборах применяют шунтирующий резистор Rш, примерное сопротивление которого считается по формуле:
Где: n – число приборов, которые включены последовательно; U – максимально допустимое напряжение прибора, В; Um – максимальное напряжение ветви с устройствами, В; IRm – максимальный обратный ток (в закрытом состоянии) в амплитудных значениях, А.
Мощность данного резистора мы можем рассчитать из известных каталожных данных URSM и полученного сопротивления шунтирующего резистора:
Для выравнивания напряжения в переходных режимах параллельно к тиристору подключают конденсатор, где его емкость рассчитывается по формуле:
Где: n – число приборов, которые включены последовательно; ∆QRR – наибольшая разность зарядов восстановления устройств, Кл; максимально допустимое напряжение прибора, В; Ек – максимальное напряжение, приложенное к цепи с включенными приборами, В.
Параллельно включенный конденсатор эффективно выравнивает напряжение в переходных режимах, но при этом увеличивается ток на интервале отпирания. Чтоб ограничить этот ток применяют демпфирующий резистор RД. Методика расчета этого резистора не приводится в данной статье, но как правило сопротивление этого резистора не превышает несколько десятков Ом. Схема показана ниже:
Чтоб ограничить скорость нарастания потенциала в закрытом состоянии, которое может вызывать самопроизвольное включение тиристора, параллельно к демпфирующим резисторам RД подключают диоды ДД, они имеют возможно меньшее время восстановления:
Также выравнивание потенциалов могут осуществлять с помощью лавинных диодов или стабилитронов, которые подключают параллельно. Максимальное значения напряжения диодов или стабилитронов должно быть либо немного меньше или равно напряжению переключения тиристора. Также данные устройства должны иметь минимальный разброс по пробою:
Если выравниванию подлежит и прямое и обратное напряжение, то применяют такую схему:
Если не предъявляют жестких требований к разбросу, то может использоваться такой вариант:
Также данные схемы требуют постоянного контроля за работой каждого тиристора, так как при выходе из строя одного, возрастет потенциал на других элементах, что может привести к выходу из строя целого плеча элемента.
Идея включения последовательно не очень хороша и имеет свои изъяны. Поэтому следует при использовании приведенных выше схем оценить их экономическую и техническую целесообразность.
