4.6.3. Переключение полевых тиристоров мст в мостовых схемах

Применение тиристоров МСТ типа МСТА75Р60Е1 в схемах мостовой конфигурации с индуктивной нагрузкой иллюстрируется осциллограммами рис. 4.85.

а б в

Рис. 4.85

В переходном процессе включения тиристора на открытый противофазный диод наблюдается значительно более сильный спад анодного напряжения на этапе нарастания силового тока. Это объясняется более высоким значением паразитной индуктивности монтажа Ls, которая составляет 150...450 нГн, в сравнении с ранее рассмотренной конфигурацией на IGBT-ключах. Данная величина Ls устанавливается специально, так как в МСТ отсутствует принципиальная возможность регулирования скорости включения по цепи затвора управления:

(4.114)

где — предельно допустимая (критическая) скорость нарастания анодного тока.

Это накладывает дополнительные требования на частотные характеристики обратного диода, выбирать которые рекомендуется с минимальным значением накопленного заряда.

При уменьшении тока нагрузки в МСТ начинает резко увеличиваться время задержки по выключению tD(OFF) (рис. 4.86).

Это может сопровождаться эффектом сквозных токов в плечах моста при недостаточной паузе между импульсами управления противофазных ключей (рис. 4.87).

Рис. 4.86

а б

Рис. 4.87

При этом резко увеличивается скорость нарастания анодного напряжения на запираемом тиристоре (эффект dV/dt). С учетом ограниченной ОБР выключения для р-канальных МСТ требуется применение специальных методов формирования траектории выключения, например с помощью RС-цепи (рис. 4.88).

При этом изменяются динамические характеристики переключения и увеличиваются общие потери в схеме (рис. 4.89).

При малых токах нагрузки фронт нарастания напряжения может значительно увеличиться. Скорость нарастания можно изменить включением противофазного тиристора (рис. 4.90).

Рис. 4.88

а б

Рис. 4.89

Таким образом, применение МСТ-тиристоров характеризуется, прежде всего, необходимостью ограничения скорости нарастания анодного тока при включении и обеспечением безопасной траектории выключения в рамках заданной ОБР.

а б

Рис. 4.90

4.6.4. GTO- и GCT-ключи в силовых инверторах с двигательной нагрузкой

Токовая перегрузочная способность GTO намного превосходит аналогичные параметры других приборов [5]. Однако включение на противофазный диод в режиме индуктивной нагрузки может увеличивать di/dt до значений в несколько сотен ампер на микросекунду, при которых начинают резко возрастать энергетические потери и ухудшаться динамические и частотные свойства тиристора (рис. 4.91).

Рис. 4.91

Таким образом, и в данном случае необходимо использовать индуктивное ограничение при включении.

Нежелательным свойством GTO в состоянии проводимости является относительно большой ток удержания (I_HOLD = 0.1...0.8A). Поэтому применение GTO в режимах двигательной нагрузки с широким изменением анодного тока должно сопровождаться постоянным положительным управляющим током, несколько превышающим статический отпирающий ток. В противном случае это может приводить к неравномерности повторного включения ячеек структуры, их перегрузке и невозможности дальнейшего прерывания тока. Важнейшая задача при использовании GTO — защита тиристора от перенапряжения. В инверторах с большим значением анодного тока энергия, запасаемая в паразитных и ограничивающих анодных индуктивностях, резко увеличивается:

Сброс данной энергии при выключении GTO и ограниченное значение коэффициента запирания может явиться причиной значительных перенапряжений, и даже разрушения структуры ключа. Во избежание этого параллельно тиристору включают защитные цепи, которые выполняют следующие задачи:

1. Ограничение скорости нарастания напряжения и всплесков перенапряжений.

2. Ускорение процесса спада анодного тока.

3. Разнесение во времени процессов спада тока и нарастания напряжения на GTO (рис. 4.92).

Рис. 4.92

Применение обычных RСD-цепей в преобразователе с широким изменением тока нагрузки приводит к нестабильности времени заряда демпфирующего конденсатора и ухудшает характеристики схемы. Одним из способов решения указанной проблемы является применение специальных снабберов, например, с инерционными диодами (рис. 4.93).

При этом оказывается возможным применение более простых и экономичных схем ограничения перенапряжений (рис. 4.94).

а б

Рис. 4.93 Рис. 4.94

В качестве примера применения мощных GTO в системах управления асинхронными двигателями на рис. 4.95 представлена схема многоступенчатого инвертора и алгоритм переключения его силовых вентилей. Данный преобразователь находит широкое применение в электротранспорте, поскольку позволяет значительно минимизировать пульсации момента и уровень шумовых помех по сравнению с другими схемными решениями. Осциллограмма выходного напряжения данного преобразователя показана на рис. 4.96.

Рис. 4.95

Рис. 4.96