Одним из главных достоинств тиристора является его малые габаритные размеры. Однако, одновременно с уменьшением габаритных размеров тиристора уменьшается и его постоянная нагрева и, соответственно, ухудшаются условия теплоотдачи. Именно его высокая тепловая чувствительность возлагает большую ответственность на средства защиты тиристора. Ниже приведены типичные аварийные режимы и средства защиты от них.
Содержание:
- Ограничение скорости нарастания тока di/dt
- Ограничение скорости нарастания напряжения du/dt
- Пример расчета цепей ограничения di/dt и du/dt
- Отвод тепла в процессе работы тиристора
- Защита тиристоров от перенапряжений
- Защита от аварийных токов
- Защита цепи управляющего электрода тиристора
- Схемная защита
Все выше перечисленные преобразователи имеют свои плюсы и минусы. Разберемся с каждым в отдельности.
Ограничение скорости нарастания тока di/dt
При наличии на тиристоре прямого напряжении в момент подачи управляющего импульса происходит открывание тиристора и через него начинает протекать ток. Этот ток начинает протекать в непосредственной близости от управляющего электрода и постепенно распространяется на всю площадь перехода. Поэтому если в начальный момент времени открытия тиристора скорость нарастания тока будет слишком велика, то его плотность вблизи управляющего перехода будет слишком высока, что вызовет перегрев, который может привести к выходу элемента из строя. Для того предотвращения подобных ситуаций скорость нарастания тока di/dt необходимо ограничивать. Поэтому в цепь анодную тиристора могут включатся небольшие реакторы. Для большинства тиристоров di/dt лежит в пределах 20-500 А/мкс.
Ограничение скорости нарастания напряжения du/dt
При прямом падении напряжения к внешним переходам J1 и J3(структурная схема здесь) приложено прямое напряжение, а к переходу внутреннему J3 – обратное. Эквивалентной емкостью обладает J3, следствием чего станет протекание тока при подаче напряжения:
Где: СJ – емкость перехода.
Если скорость изменения напряжения на тиристоре будет слишком высокой, то ток перехода может достигнуть значения, которое достаточно для включения без подачи управляющего импульса. Такой эффект включения без управляющего импульса под действием du/dt может приводить к очень серьезным сбоям в работе не только преобразователя, но и устройств управляемых преобразователем.
Скорость изменения du/dt, допустимая, обычно находится в пределах 20-500 В/мкс. для защиты тиристора от непреднамеренных включений при больших du/dt применяют параллельные RC цепи.
Пример расчета цепей ограничения di/dt и du/dt
Для регулирования выделяемой на резисторе мощности используют тиристор. Необходимо определить параметры защитных цепей. Uc = 400В, di/dt = 50 А/мкс, du/dt = 200 В/мкс. Схема показана ниже:
Итак, мы знаем, что напряжение на конденсаторе не меняется мгновенно, а также то, что полупроводниковый элемент имеет довольно большое внутреннее сопротивление в зоне низкой проводимости. Поэтому при замыкании Q схему можно заменить на эквивалентную:
Уравнения напряжений будут иметь вид:
Откуда:
Где Rш – сопротивление резистора в шунтирующей цепи.
Из предыдущей формулы следует, что di/dt будет иметь максимальное значение при i = 0:
Отсюда:
Напряжение на тиристоре:
Продифференцировав это уравнение по времени получим:
Или:
Выполнив преобразования получим:
Таким образом:
Если сопротивление Rш будет слишком малым, то это приведет к довольно большим потерям в нем. Из схемы выше можно увидеть, что в момент замыкания ключа Q абсолютно все напряжения источника питания до открытия тиристора будет приложено к конденсатору С. Это приведет к тому, что в момент открытия вентильного ключа произойдет резкий бросок тока, и его пиковое значение будет тем выше, чем меньше будет значение сопротивления Rш. Таким образом, сопротивление Rш может быть достаточным (с точки зрения токового ограничения), но слишком большим для ограничения du/dt. Емкость Сш, в свою очередь, то же выбирают небольшой, для того что бы предотвратить выход вентиля из строя при его открытии. Довольно частые значения Rш и Сш составляют 10 Ом и 0,1 мкФ. При известном значении Rш можно найти индуктивность реактора L:
Отвод тепла в процессе работы тиристора
В открытом состоянии полупроводниковый вентиль имеет довольно малое сопротивление и падение напряжения на нем не превышает 1-2 В. Это относительно небольшое падение, при значительных токах анодных приводит к серьезным тепловым потерям, которые способны вызвать выход прибора из строя. Для предотвращения перегрева полупроводниковых устройств их крепят на специальные радиаторы, которые способствуют теплоотведению. Если теплоотводящих свойств радиатора недостаточно – применяют принудительное охлаждение.
Защита тиристоров от перенапряжений
Не всегда процесс работы полупроводника проходит в нормальных условиях. Иногда, при ударах молний, не удовлетворительных условиях коммутации, переходных процессах на полупроводниковом ключе может возникнуть перенапряжение. Для защиты от перенапряжений используют нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от напряжения (например, стабилитрон). Они подключаются параллельно элементу, и, при больших напряжениях шунтируют силовую цепь.
Защита от аварийных токов
Полупроводник имеют относительно небольшую теплоемкость, поэтому они довольно плохо переносят перегрузку, работу при импульсных токах, а также краткосрочные броски тока. Для обеспечения защиты от таких режимов используют старые добрые проверенные методы, а именно – автоматические выключатели и плавкие предохранители. Автоматические выключатели обеспечивают защиту от перегрузок, а плавкие предохранители от коротких замыканий КЗ. Время срабатывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защищаемых элементов. Также самым важным фактором должно быть отключение прибора от сети при возникновении аварийных ситуаций до его выхода из строя. Именно исходя из этого условия и подбирают защитную аппаратуру.
Защита цепи управляющего электрода тиристора
Управляющие цепи требуют защит, как от аварийных токов, так и от перенапряжений. Поскольку их мощность малая, то это позволяет применять простые способы защиты – от напряжений стабилитроны, от токов – токоограничивающие резисторы. Немаловажным фактором является и защита от ложных срабатываний. Ложное срабатывание может происходить из-за коммутации соседних вентилей или же возможных сетевых помех, которые могут вызывать переход тиристора в открытое состояние. Защита цепей управления состоит в экранировании или скручивании их проводов. Довольно часто между катодом и выводом управляющего электрода устанавливают конденсатор и резистор, выполняющий роль фильтра. На рисунке ниже показана схема защиты тиристора:
Схемная защита
Защиты, рассмотренные выше, не всегда могут обеспечить должный уровень защиты. Для организации защиты тиристорных преобразователей может использоваться большое количество схемных решений. Самое распространенное из них – блокировка импульсов управления. Также могут использовать дополнительный параллельный тиристор, который будет шунтировать основной до срабатывания основной защиты (автоматический выключатель).
Возможна схема с емкостным гасящим устройством, применима для инверторов с аварийным режимом при включении элементов одного плеча. Применима для инверторов с реверсом тока, состоит из конденсатора обладающего небольшой емкость, включенного сразу реактором фильтра. При одновременном включении двух элементов ток переводится в гасящий конденсатор, и полуволна отрицательная, которая образуется в колебательном LC контуре запрет тиристоры. Ну и, соответственно, параметры реактора и конденсатора подбирают таким образом, чтоб образованные в данном контуре токи не превысили допустимые токи элементов. Предохранитель не должен перегорать при каждом импульсе тока. Более того, данный контур может применяться и как коммутирующий.
