Групповое соединение полупроводниковых вентилей

§ 2.1 Неравномерность распределения нагрузки при групповом соединении вентилей

В мощных преобразовательных установках применяются следующие соединения вентилей следующих типов:

1) Последовательное соединение – используется для увеличения допустимых значений напряжения, когда отдельно взятый вентиль рассчитан на меньшее напряжение, чем имеется на входе преобразователя;

2) Параллельное соединение – используется для увеличения допустимого тока – когда отдельно взятый вентиль рассчитан на меньший прямой ток, а на нагрузку нужно подавать, значительно больший выпрямленный ток.

Также групповое соединение вентилей применяется для повышения надежности преобразователя – в нем выход из строя одного вентиля не должен нарушать работу всего преобразователя

Из-за технологического разброса ВАХ вентилей возможна перегрузка отдельных вентилей:

1) При параллельном соединении – перегрузка по току (см. рис. 2.1)

Рисунок 2.1 – схема параллельного соединения (а) и неравномерность распределения прямого тока

Пусть имеется два вентиля VD1 и VD2 соединенные параллельно. К диодам приложено прямое напряжение U_F, при этом диод VD1 имеет более крутую прямую ветвь ВАХ (при изготовлении на заводе у него получилось меньшее динамическое сопротивление r_т), при этом через него протекает прямой ток I₁, который больше тока I₂ второго вентиля VD2, имеющую более пологую прямую ветвь ВАХ (потому что у него сопротивление r_т больше). В результате первый вентиль перегружается током I₁ и может выйти из строя.

Поэтому при параллельном включении вентилей их выбирают с определенным запасом по току (обычно коэффициент запаса составляет от 1,!5 до 1,25).

2) При последовательном соединении – возможна перегрузка по напряжению (см. рис. 2.2)

Рисунок 2.2 – схема последовательного соединения (а) и неравномерность распределения обратного напряжения

Два вентиля VD1 и VD2 соединены последовательно и у них разные обратные ветви ВАХ. К вентилям приложено обратное напряжение, при этом через вентили протекает очень небольшой общий обратный ток утечки i_r. Диод VD1 имеет более пологую обратную ветвь ВАХ. Поэтому к нему приложена большая доля обратного напряжения U_r, равная U_r1 (см. рис. 2.2 б) это может вызвать пробой в структуре вентиля.

Наличие разброса ВАХ вентилей приводит к тому, что ухудшается работа вентилей 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 восстановления будет прикладываться полное напряжение всей цепи, и тиристор может самопроизвольно включиться, что приводит к короткому замыканию в цепи.

При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения будет воспринимать весь ток цепи и может выйти из строя из-за теплового пробоя.

Поэтому при групповом соединении вентилей должны приниматься специальные меры для равномерного распределения тока при параллельном соединении и напряжения при последовательном соединении.

§2.2 Выравнивание токов при параллельном соединении вентилей

При параллельном соединении вентилей необходимо обеспечивать равномерное распределение прямого тока в статических и переходных режимах.

Используется два пути выравнивания тока:

1) Подбор вентилей одного типа с одинаковыми характеристиками

Это можно сделать с помощью специальных комплексов АДИП 1,2,3 (автоматизированный диагностический измерительный прибор)

2) Принудительное деление тока с помощью специальных электротехнических устройств.

§ 2.2.1 Подбор вентилей одного типа с одинаковыми характеристиками

При параллельном соединении вентилей из-за неизбежного разброса их ВАХ приходится брать более мощные вентили по току из-за неравномерности распределения токов по параллельным ветвям вентилей. При этом происходит недоиспользование нагрузочной способности преобразователя, что ухудшает его экономические показатели.

Недоиспользование нагрузочной способности измеряется в % и определяется по формуле:

(2.1)

где I – результирующий прямой ток параллельного соединения

а – число параллельных приборов

I_max – максимально допустимый ток одного прибора

Из (2.1) получим максимально допустимый ток прибора при заданной неравномерности деления тока

(2.2)

Обычно принимают недоиспользование нагрузочной способности не более 10%. При этом в тяговых преобразователях применяют способ подбора приборов с разбросом напряжения не более 0,02В.

Чем меньше допустимый процент снижения нагрузочной способности, тем дороже преобразователь, потому что подбор вентилей с одинаковыми характеристиками очень трудоемок.

В то же время увеличение процента недоиспользования нагрузочной способности приводит к неоправданному завышению мощности вентилей при групповом соединении.

§2.2.2 Принудительное деление тока

Если разброс значений тока не должен быть больше 10%, то необходимо использовать внешние делители тока. Они бывают:

1) Активные делители тока

2) Индуктивные делители тока

Рисунок 2.3 Применение активных делителей тока

Активные делители тока очень эффективны. В схеме за распределение тока отвечают резисторы R₁ и R_2. Причем они одинаковы R₁ = R_2. Их сопротивление берут таким, чтобы оно было значительно больше, чем сопротивление вентилей в открытом состоянии. Таким образом, сопротивление вентилей уже не будет влиять на распределение токов по параллельным ветвям. Однако при этом на резисторах R₁ и R₂ происходят значительные потери мощности.

Пусть задано недоиспользование нагрузочной способности х=10%. Тогда необходимо использование активных делителей тока R₁ и R₂ при этом пусть ток I_F= 190А, тогда с учетом х ток I_F1 = 100А, а ток I_F2 = 90А. Также на вентилях происходят потери напряжения:

На первом вентиле потери напряжения U_F1 = 1,6В, а U_F2 = 1,7В. Диоды соединены параллельно, поэтому напряжения на них одинаковы, и поэтому можем записать:

Учтем, что R₁=R₂ и тогда можно вывести из этого выражения, что сопротивление резистора R=0,01Ом.

Определим тогда мощность потерь на резисторах R₁ и R₂ :

Это очень большие потери мощности, которые абсолютно недопустимы. Поэтому в мощных преобразователях применяют индуктивные делители тока.

В качестве индуктивного делителя тока используют дроссель. Он представляет собой тороидальный магнитопровод, сквозь окно которого пропущены токоведущие шины таким образом, чтобы магнитодвижущие силы, создаваемые токами I_F1, а также I_F2 действовали встречно. Для этого обмотки дросселя наматываются встречно (см.рис. 2.4).

Рисунок 2.4

МДС - способность электрического тока создавать магнитное поле. Она обозначается буквой F и равна силе тока, протекающего через проводник, т.е. F=I, измеряется в Амперах. МДС катушки равна произведению тока, протекающего через катушку на количество витков. В соответствии с этим, токи I_F1 и I_F2 будут создавать в тороидальном магнитопроводе магнитные потоки Ф1 и Ф2.

Направление этих магнитных потоков надо определить по второму правилу правой руки:

Если обхватить катушку ладонью правой руки, направив 4 пальца по току в витках,то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий в магнитопроводе.

Таким образом Ф1 будет направлен по часовой стрелке, а Ф2 против часовой стрелки, т.е. навстречу друг другу. Если ток I_F1 = I_F2 , то будут равны и магнитные потоки Ф1=Ф2 и они взаимно уничтожаются, поэтому в схеме остается только активное сопротивление, которое очень мало.

Если же токи диодов неравны, например, I_F1 > I_F2, то тогда не происходит взаимное уничтожение Ф1 и Ф2 и в магнитопроводе остается некомпенсированный магнитный поток Ф. Он будет пронизывать все обмотки дросселя и в каждой из них проводить ЭДС самоиндукции. Направление этой ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца:

Индуктированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление ЭДС, т.е. противодействует изменению магнитного потока.

В соответствии с этим определим направление ЭДС на схеме:

1) Т.к. ток I_F1 > I_F2 , то и магнитный поток Ф1 > Ф2

2) Результирующий магнитный поток Ф направлен также, как и Ф1 (т.е. Ф1 как бы задавил своей силой магнитный поток Ф2)

3) Таким образом, в магнитопроводе остается магнитный поток Ф, направленный по часовой стрелке и он воздействует на левую и правую катушки.

Под действием Ф в левой катушке появляется ЭДС е1. Она направлена так, чтобы мешать причине появления ЭДС. А ЭДС появилась из-за роста тока I_F1. Поэтому ЭДС е1 направлена так, чтобы мешать росту I_F1

4)Магнитный поток Ф также действует и на правую катушку и в ней появляется ЭДС е2.

При этом е2 будет направлена согласно с током I_F2, т.е. будет усиливать этот ток.

4) В итоге I_F1 ослабляется, а I_F2 усиливается, и они примерно выравниваются.

Таким образом, происходит почти полное выравнивание токов в параллельных ветвях: там, где ток растет – дроссель его ослабляет, одновременно усиливая более слабый ток в соседней параллельной ветви.

Достоинство индуктивных делителей тока – низкие потери энергии, если токи равны, потому что в схеме остается только очень малое активное сопротивление.

Если нужно параллельно соединить больше двух вентилей, то это можно сделать разными способами, т.е. подключить индуктивные делители по разным схемам, например, по замкнутой кольцевой схеме.

Замкнутая кольцевая схема

Принцип работы делителей в этой схеме такой же, как описано выше. В итоге баланс токов не превышает 10%

§ 2.3 Выравнивание напряжений при последовательном соединении вентилей

Электрическая прочность полупроводниковых вентилей, определяемая классом вентиля (т.е. допустимым значением обратного повторяющегося напряжения (U_RRM)) всегда ниже, чем требуется в высоковольтном преобразователе, поэтому вентили в преобразователи нужно соединять последовательно. Количество последовательно включенных вентилей выбирают из условия их электрической прочности при приложении периодически повторяющихся обратных напряжений, а так же коммутационных и атмосферных перенапряжений, ограниченных разрядниками.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле зависит от схемы преобразователя и от его параметров; а перенапряжения зависят от остаточного напряжения на разрядниках и от параметров защитных R-C цепочек, которыми защищаются преобразовательные установки. При последовательном соединении вентилей возникают трудности, связанные с неравномерным распределением обратного напряжения между отдельными вентилями из-за того, что может быть технологический разброс внутренних сопротивлений вентилей. Внутреннее сопротивление вентиля в непроводящем направлении характеризуется величиной обратного тока (I_в) при приложении напряжения класс U_RRM. Таким образом, можно записать:

(2.1)

Допустимый обратный ток вентиля I_в значительно меньше номинального прямого тока (в млн. раз), поэтому даже очень малая разница в допустимых обратных токах вентиля означает большое различие внутренних сопротивлений диодов.

Например, имеем 2 диода 12-ого класса, которые обладают допустимыми обратными токами в 6 и 4 мА, тогда можно определить их внутреннее сопротивление

Т.к. VD1 и VD2 соединены последовательно, то по ним будет протекать один и тот же обратный ток под действием приложенного обратного напряжения, и по закону Ома на каждом вентиле будет происходить падение напряжения равное . Поэтому к диоду, обладающему наибольшим сопротивлением будет приложено большее обратное напряжение, которое может оказаться выше допустимого и произойдет пробой вентиля. А пробой одного вентиля вызывает последовательный пробой всех остальных вентилей, поэтому нужно обеспечить равномерное распределение обратного напряжения между ними. Для этого необходимо параллельно каждому вентилю включить резистор одинакового сопротивления.

Шунтирование вентилей резисторами

Сопротивление этих резисторов должно быть значительно меньше, чем обратное сопротивление вентиля. При этом по резисторам будет протекать в 5 раз больший ток, чем по вентилям, и падение напряжения будет задаваться этими резисторами, а не вентилями. Подобрать одинаковые резисторы значительно проще, чем вентили, поэтому можно добиться выравнивание вентилей.

Однако шунтирующие резисторы не обеспечивают равномерного распределения обратного напряжения между последовательно включенными вентилями в динамическом (или переходном) режиме, возникающем в момент коммутации, когда вентиль переходит из открытого состояния в закрытое, когда полярность напряжений на его выводах меняется обратно.

При закрывании вентиля большое значение имеет время восстановления вентильной прочности p-n перехода. Дело в том, что после изменения полярности напряжения на выводах вентиля, диод в течение нескольких мкс пропускает значительный импульс обратного тока. Этот ток протекает за счет неосновных носителей заряда, которые всегда есть в p-n переходе (см. рис. 2.6)

Рисунок 2.6 Бросок обратного тока

Величина обратного тока зависит от сопротивления цепи и скорости нарастания обратного напряжения. Бросок длится несколько мкс, потому что восстановление вентильной прочности диода происходит не мгновенно, и все это время диод проводит ток в обратном направлении. Время этого процесса зависит от множества факторов (время жизни зарядов, концентрация примесей и т.д.) и у диодов одного и того же типа может быть очень разным. В итоге получится, что если вентиль имеет очень малое время восстановления вентильной прочности, то он закроется быстрее, чем другие последовательно отключенные вентили, и почти все обратное напряжение будет приложено к нему, и вентиль будет пробит. При этом так же будут последовательно пробиты все последовательные вентили. Для защиты от этого необходимо включить последовательно с резисторами еще и конденсаторы – обычно используют отдельные специальные R – C цепочки, как на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 Шунтирование вентилей резисторами и конденсаторами

Конденсаторы образуют емкостной делитель напряжений. Согласно теории работы конденсатора, если конденсатор разряжен, то в самом начале через него протекает большой бросок тока и чтобы защитить от этого конденсатор, ставят последовательно резистор R₂. Его сопротивление должно быть небольшое (не более 50 Ом). При этом конденсаторы совместно с резисторами выравнивают обратное напряжение по диодам в начальный период коммутации, пока еще конденсаторы не заряжены (т.е. выравнивание напряжения вначале обеспечивают именно резисторы R₂, а конденсаторы еще не зарядились и поэтому не могут выравнить напряжение)

Затем после заряда конденсаторов С, ток в них прекращается и R – C цепочки как бы выключаются из работы (потому что по ним ток уже не протекает) и распределяют напряжение резисторы R₁, которые имеют во много раз большее напряжение, чем резисторы R₂.

Тема №3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: