Параллельное включение полупроводниковых приборов

В некоторых устройствах потребляемый ток настолько велик, что номинальных параметров полупроводниковых приборов не хватает (например, электродуговые печи, двигатели постоянного тока большой мощности). Для решения этой проблемы может существовать несколько решений:

• Усложнение системы охлаждения (вместо воздушного применяют жидкостное). Это вызывает добавление различных механизмов и систем и является не лучшим решением.
• Использование нескольких преобразовательных устройств при параллельной их работе.
• Параллельная работа нескольких полупроводниковых приборов.

В этой статье мы рассмотрим третий вариант на примере тиристоров и диодов. Итак, для того чтобы уменьшить ток, проходящий через один тиристор, к нему параллельно подключают еще один. Схема ниже:

Известно, что каждый тиристор имеет вольт – амперную характеристику и не всегда эти характеристики одинаковы. Пример вольт – амперных характеристик показан ниже:

Из этой характеристики видно, что при одном и том же напряжении токи тиристоров будут разных, а именно ток тиристора 1 будет больше чем 2.

Но самое отрицательное влияние разниц этих характеристик будет происходить при динамических режимах. При открытии тиристора (диода) имеющего наименьшее время включения весь ток цепи пройдет через него, что может повлечь за собой выход из строя устройства. Во избежание таких ситуаций применяют специальные устройства, а именно индуктивные делители тока. Они обеспечивают равномерное распределение нагрузки между вентилями.

Ниже приведены основные схемы включения индуктивных делителей:

Основным определителем эффективности делителей является в основном сечение магнитопровода. Рассчитывается оно по следующей формуле (кв.м.):

где ΔU_FM – разбалансировка прямого напряжения (напряжения в открытом состоянии), В;
В₀ – остаточная индукция в стали магнитопровода, Тл;
В₁ – индукция, Тл, которая  соответствует  напряженности Н₁;
ΔI – допустимая разбалансировка тока в параллельных ветвях (принимается  в средних значениях), А;
l_µ — средняя длина магнитной линии стали магнитопровода, м;
f – частота токовых  импульсов, Гц;
m – скважность токовых импульсов;
w – число витков токоведущих проводов.

Значение Н₁ находится по кривой  намагничивания. Для этого необходимо взять точку в начальной области насыщения. Минимальная длина магнитного пути:

Минимальные габариты делителей достигаются следующим образом:

• Осуществляют подбор приборов по минимальному разбросу прямого напряжения;
• Уменьшают длину средней магнитной линии;
• Увеличивают число рабочих витков;
• Увеличивают допустимую разбалансировку токов ;
• Увеличивают отношение ;

Зачастую применяют одновитковые делители, так как они удобнее с точки конструктивного исполнения. Магнитопровод с пропущенным в его окно токоведущими шинами заливают эпоксидным компаундом, но при этом оставляют не изолированные концы для подключения делителя в схему.

При расчете индуктивных делителей следует учитывать возможный разброс по времени включения каких – то устройств. При числе параллельных устройств менее шести целесообразней всего применять схему «замкнутая цепь» (см. рис. выше а)). А если число приборов больше шести, то схемы б) и в) (см. рис. выше).

Можем сделать вывод, что параллельное соединение вентилей требует установку дополнительного оборудования. Поэтому нужно провести экономические и технические расчеты, для того, чтобы убедится стоит ли использовать параллельное включение полупроводников.

Параллельное включение тиристоров | Техника и Программы

Балансировка по току очень проста. Достаточно включить последовательно с каждым тиристором резистор, который бы сделал не существенным разброс в прямых падениях напряжения на тиристорах. Этот прием прекрасно работает в импульсных преобразователях для исследовательских установок по ядерному синтезу с магнитным удержанием плазмы, в которых трубки из нержавеющей стали или монеля обеспечивают падение напряжения в несколько вольт при полном токе. К сожалению, из-за больших потерь этот прием балансировки оказывается пригодным только в импульсных системах с очень маленьким значением рабочего цикла.

Балансировка токов в преобразователях, предназначенных для постоянной работы, требует не только подбора тиристоров по прямому падению напряжения, но и особого внимания к собственным и взаимным индуктивностям в разных ветвях системы. На Рис. 11.6 приведено несколько примеров удачной и неудачной балансировки.

Рис. 11.6. Различные схемы параллельного включения тиристоров

В схеме А ток через тиристор 1 будет больше, чем через тиристор 2, так как тиристор 2 подключен к тиристору 1 через добавочные связи, имеющие и сопротивление, и индуктивность. Напротив, в схемах Б, В и Г добавочные сопротивления и индуктивности сбалансированы. В схеме Д через тиристор 2 будет протекать больший ток, чем через тиристоры 1 и 3, так как они подключены через дополнительные сопротивления и индуктивности. Ситуация исправлена переносом точки соединения в схеме E, так что в ней индуктивности и сопротивления токоведущих связей для каждого тиристора равны между собой. На схеме Ж обозначена интересная проблема, связанная со взаимной индуктивностью проводов. Если расстояния между входной и выходной шинами и проходящими параллельно им проводами мало, то для тиристора 1 их взаимная индуктивность приведет к уменьшению падения напряжения на подходящих к нему проводах и увеличению тока через него по сравнению с током через тиристор 2. Можно попытаться перенести точку соединения проводов, как показано на схеме

3,              но нет гарантий, что это поможет. Надежное решение — либо использование схем Б, В и Г, либо увеличение расстояния между проводами.

На Рис. 11.7 проиллюстрировано влияние взаимной индукции. А — это входная шина, а В и С — провода связи с тиристорами, представленными на рисунке точками. Собственные индуктивности проводов В и С могут быть рассчитаны по обычным формулам, учитывающим их размеры и длину. Взаимная индуктивность между А и В равна приблизительно М_АВ = М_А М_А__В, где М_А и М_А__В — взаимные индуктивности между проводниками длиной А и А В соответственно, находящимися на расстоянии S друг от друга. Если собственная индуктивность провода длиной В равна 1

В, то эквивалентная индуктивность L_T = Z_B 2М_АВ.

Рис. 11.7. Собственные и взаимные индуктивности параллельных проводов

Если зазор между проводами S мал по сравнению с длинами В и С, то никаким переносом точки соединения проводов добиться балансировки токов невозможно. Успеха можно добиться, только увеличив S или полностью изменив монтаж. Отметим, что в проведенном выше анализе маленькая взаимная индуктивность между А и С не принималась в расчет. В общем всегда, когда шины расположены параллельно друг другу, можно ожидать проблем с балансировкой токов.

Для получения баланса «Канадиан Дженерал Электрик Компани» (Canadian General Electric Company) и ряд других компаний применяют радиально-симметричные конструкции. Входные и выходные шины подходят к центру конструкции, а тиристоры расположены на концах радиально расположенных проводников. В этой конструкции при использовании тиристоров, подобранных по прямому падению напряжения, достигается прекрасная балансировка токов.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Последовательное включение полупроводниковых приборов

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 U_R1 и  U_R2  будут различны. В нашем случае U_R1> U_R2. Это нужно учитывать, так как U_R1 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 U_R , 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 R_ш, примерное сопротивление которого считается по формуле:

Где: n – число приборов, которые включены последовательно; U – максимально допустимое напряжение прибора, В; U_m – максимальное напряжение ветви с устройствами, В; I_Rm – максимальный обратный ток  (в закрытом состоянии) в амплитудных значениях, А.

Мощность данного резистора мы можем рассчитать из известных каталожных данных U_RSM  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; ∆Q_RR – наибольшая разность зарядов восстановления устройств, Кл; максимально допустимое напряжение прибора, В; Е_к – 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 R_Д. 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 R_Д подключают диоды Д_Д, 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.

Встречно-параллельное включение — тиристор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Встречно-параллельное включение — тиристор

Cтраница 1

Встречно-параллельное включение тиристоров используют для управления однофазной нагрузкой и регулирования напряжения на трехфазных асинхронных двигателях.  [2]

Распространенным типом вентильной ячейки является встречно-параллельное включение тиристора и диода, позволяющее пропускать прямую полуволну переменного тока через управляемый вентиль, а обратную — через неуправляемый. Логика работы ячейки тиристор — диод следующая. В закрытом состоянии ток ячейки равен нулю и напряжение положительно, но управляющий импульс не подается. Выключается ячейка током при переходе его от отрицательных значений к положительным, а включается в момент ti, если напряжение 0 и приходит управляющий импульс. На ячейке может быть только положительное напряжение, при отрицательном открывается диодная ветвь ячейки.  [3]

Принципиальная схема коммутирующего устройства при встречно-параллельном включении тиристоров приведена на рис, 8.11 а. В этой схеме основные тиристоры VT2 и VT3 управляются от напряжения питающей сети переменного тока, а дополнительный тиристор VT1 управляется сигналом Uy. Если сигнал Uy отсутствует, то на анод тиристора VT1 подается напряжение через фазосдвигающую цепь Cl, R1, которое опережает по фазе напряжение сети.  [4]

Принципиальная схема коммутирующего устройства при встречно-параллельном включении тиристоров приведена на рис. 8.11, а. В этой схеме основные тиристоры VT2 и VT3 управляются от напряжения пита1 ющей сети переменного тока, а дополнительный тиристор VT1 управляется сигналом Uy. Если сигнал Uy отсутствует, то на анод тиристора VT1 подается напряжение через фазосдвигающую цепь Cl, R1, которое опережает по фазе напряжение сети.  [5]

На рис. 4 представлена схема реверсивного преобразователя со встречно-параллельным включением тиристоров во вторичной цепи. Встречно-параллельно включенные тиристоры образуют два выпрямителя. Отключение неработающего выпрямителя осуществляется снятием отпирающих импульсов со всех управляющих электродов.  [7]

На рис. 4.8 показана одна из схем со встречно-параллельным включением тиристоров. В цепь якоря двигателя включена индуктивность L для ограничения скорости нарастания тока. Наличие в схеме этой индуктивности увеличивает электромагнитную постоянную времени двигателя, а.  [9]

На рис. 4 представлена схема реверсивного преобразователя со встречно-параллельным включением тиристоров во вторичной цепи. Встречно-параллельно включенные тиристоры образуют два выпрямителя. Отключение неработающего выпрямителя осуществляется снятием отпираюших импульсов со всех управляющих электродов.  [11]

На рис. 4 представлена схема реверсивного преобразователя со встречно-параллельным включением тиристоров по вторичной цепи. Встречно-параллельно включенные тиристоры образуют два выпрямителя. Отключение неработающего выпрямителя осуществляется снятием отпнраюших импульсов со всех управляющих электродов.  [13]

В схеме, изображенной на рис. 120, а используется встречно-параллельное включение тиристоров. Через один тиристор пропускается положительная полуволна переменного напряжения, через второй — отрицательная. Схема требует применения двух тиристоров на каждый ключ.  [15]

Страницы:      1    2

Последовательное включение тиристоров | Техника и Программы

При последовательном соединении тиристоров необходимо обеспечить равенство напряжений на каждом из тиристоров во всех условиях их работы. Существует четыре основных режима работы тиристоров:

•                включение,

•                пропускание тока в прямом направлении,

•                выключение,

•                работа в выключенном состоянии при напряжении, приложенном в прямом или обратном направлении.

В наборе из последовательно соединенных тиристоров при включении самому медленному прибору, пока он не включится, достанется непропорционально большая доля приложенного к цепочке напряжения. Таким образом, необходимо включать каждый тиристор так быстро, как это только возможно, для чего необходимо на их управляющие электроды подавать ток со скоростью нарастания 3…5 А за 500 нс. Впрочем, чем больше и быстрее, тем почти всегда лучше. Напряжение цепи управления на холостом ходу должно составлять 20…40 В.

Рис. 11.1 повторяет Рис. 10.2 и демонстрирует типовую форму импульса управления тиристорами при их последовательном соединении. Если управление осуществляется через оптоволоконный канал, то дисперсия временных параметров излучателей и детекторов в разных звеньях должна быть сведена к минимуму.

Рис. ii.i. Типовая форма импульса управления

Для управления последовательно включенными тиристорами было разработано множество схем. На Рис. 11.2 (слева) приведена схема с высоковольтным изолированным кабелем, продетым через набор тороидальных сердечников токовых трансформаторов, вторичные обмотки которых способны подать напряжение в несколько десятков вольт на оптоволоконные схемы управления тиристорами. Через кабель обычно пропускают ток порядка 100 А при частоте 60 Гц. Эта схема запуска тиристоров весьма популярна для устройств коррекции коэффициента мощности при средних уровнях напряжения. В центре показана конструкция с индивидуальными трансформаторами для питания каждой оптоволоконной схемы управления тиристорами. Для уменьшения размеров трансформаторов в этом случае часто применяют высокочастотное напряжение в их входных цепях. Справа изображена схема с импульсными трансформаторами в цепях управления каждого тиристора. Хотя эта схема и весьма успешно применяется в системах со средним напряжением, трансформаторы в ней требуют аккуратного проектирования и испытаний на электрическую прочность изоляции и время нарастания тока в режиме поддержания. Разновидностью этой схемы является схема с одним импульсным трансформатором, имеющим одну первичную и несколько вторичных обмоток, успешно применяемая в оборудовании класса 5 кВ. В большинстве этих схем взамен одного импульса управления используется последовательность из нескольких более коротких импульсов.

Рис. 11.2. Схемы управления тиристорами при их последовательном соединении

Еще одна конструкция, применяемая при самых высоких напряжениях, показана в упрощенном виде на Рис. 11.3. В этой конструкции напряжение питания схемы управления тиристорами получается из их напряжения анод-катод. Необходимость некоторого времени для заряда накопительного конденсатора ограничивает возможность работы этой конструкции при малых углах задержки включения тиристора, но после заряда конденсатора схема управления каждый период способна вырабатывать по два импульса управления, разделенные интервалом в 60°. Эта конструкция не может обеспечить большие токи управления из-за существенного увеличения в ней потерь мощности. Принципы этой конструкции используются в системах HVDC.

Рис. 11.3. Схема управления тиристорами при их последовательном соединении с питанием от цепи анод-катод

В дополнение к тиристорам, управляемым электрическими сигналами, существуют две их разновидности, включаемые непосредственно светом. Некоторые большие тиристоры управляются мощным световым потоком, создаваемым лазером. В других тиристорах встроены дополнительные управляющие тиристоры, для включения которых требуется менее интенсивный свет. В настоящее время это управление является областью приложения усилий многих разработчиков.

Способы управления тиристоров, рассмотренные выше, отвечают требованиям обеспечения одновременности их включения при последовательном соединении. А вот с выключением дело обстоит посложнее. График тока при выключении тиристора, приведенный на Рис. 10.3, в случае, например, трех последовательно включенных тиристоров превращается в график, приведенный на Рис. 11.4. Тиристор 1 начинает выключаться первым, и, как только на нем начинается рост напряжения, значение di/dt уменьшается и восстановление тиристоров 2 и 3 замедляется. При этом тиристору 1 может достаться непропорционально большая доля напряжения, ведь тиристоры 2 и 3 еще находятся в проводящем состоянии. Можно было бы подобрать тиристоры по их времени восстановления, но это дает мало пользы, так как на время восстановления оказывают сильное влияние температура и значение di/dt в схеме. Уравнения, приведенные на Рис. 10.4, можно приспособить для расчетов применительно к цепочке тиристоров и определить разбаланс в обратных напряжениях.

Рис. 11.4. Ток через тиристоры при их выключении

Стандартным приемом обеспечения равномерности распределения напряжений последовательно включенных тиристоров при выключении является добавление йС-цепочек параллельно каждому тиристору (Рис. 11.5). Постоянная времени R^C выбирается сравнимой со временем восстановления тиристоров.

Рис. 11.5. Элементы для балансированш тиристоров при их последовательном включении

Цепь RlC не окажет никакой помощи в балансировании напряжений на тиристорах, когда они уже заперты и к ним приложено прямое или обратное напряжение. Постоянная времени R^C слишком мала, так что разность этих напряжений просто перезарядит соответствующие конденсаторы. Для того чтобы сбалансировать эти напряжения, в схему вводят резистор R2. Его номинал выбирают так, чтобы ток через него был раз в 5…10 больше, чем ток утечки у применяемых тиристоров. Резистор R1 должен быть безындуктивным, а R2 — не обязательно этого типа. Параметры элементов R1, R2 и С и потери в тиристорах следует проверить с помощью компьютерного моделирования.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).