3.7 Параллельное соединение полупроводниковых приборов в силовых блоках аппаратов

Необходимость в параллельном соединении СПП возникает при создании аппаратов на токи, превышающие предельные значения прямого тока одного прибора. Поскольку вольт ─ амперные характеристики СПП одного и того же типа существенно отличаются друг от друга, необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие равномерное распределение токов между отдельными приборами.

Влияние неидентичности характеристик на распределение тока между двумя параллельно соединенными диодами, типа Д140 − 100, иллюстрируется на рисунке 3.17. Из него видно, что через диод 1, имеющий более пологую характеристику 1, протекает значительно больший ток, чем через диод 2. В силовых блоках, содержащих большое число параллельно соединенных СПП, недогрузка током одних приборов и перегрузка других приводят в общем случае к снижению надежности аппарата или к необходимости резервирования приборов.

Устранение неравномерности распределения тока по приборам и, следовательно, оптимальное использование их нагрузочной способности можно достичь несколькими способами. Рассмотрим основные из этих способов при статических для СПП режимах работы, характеризующихся относительно медленным изменением тока во времени. Для низкочастотных диодов и тиристоров к статическим можно отнести режимы длительного протекания переменного (пульсирующего) тока с частотой до 500 Гц.

1. Выравнивание токов в параллельных цепях путем выбора приборов с согласованными характеристиками в проводящем состоянии. Согласованными считаются характеристики, если при прямых токах, равных (0,1 ─ 2)IП падения напряжения на приборах не различаются более чем на 0,02 В.

Этот способ позволяет с минимальными дополнительными затратами свести неравномерность распределения тока по приборам до 2…7%.

Тем не менее, его нельзя признать эффективным из-за трудностей, возникающих при эксплуатации: необходимо иметь в запасе большое число разнообразных приборов, возможны ошибки при замене вышедших из строя приборов и др. Длительное хранение комплекта с согласованными характеристиками приводит также к удорожанию оборудования.

Поэтому, пока не достигнут уровень технологии, обеспечивающий изготовление СПП с идентичными характеристиками, наиболее рационально комплектовать силовые блоки приборами одной группы по импульсному падению напряжения в проводящем состоянии (U_F − для диодов, U_T − для тиристоров). Согласно техническим условиям на СПП отклонение этого параметра у приборов одной группы не превышает 5% от среднего значения.

2. Выравнивание токов в параллельных цепях с полупроводниковыми приборами с помощью резисторов. В данном случае последовательно с каждым прибором включается резистор с линейной характеристикой. В результате общие характеристики параллельных ветвей приобретают меньший наклон и, следовательно, уменьшается небаланс токов в них (рисунок 3.17).

Реализация этого способа связана с большими дополнительными потерями энергии в резисторах, увеличением габаритов и массы, необходимостью принятия дополнительных мер, обеспечивающих улучшение теплоотвода от силовых блоков. Все эти негативные факторы ограничивают использование резисторов, особенно в устройствах, рассчитанных для работы при больших номинальных токах. Но надо иметь в виду, что эффект выравнивания токов из-за повышения сопротивления параллельных ветвей с СПП может быть использован при конструировании силовых блоков за счет изменения длин (конфигураций) соединительных и токоподводящих шин и наоборот, неправильное конструирование может усугубить неравномерность распределения тока.

Рисунок 3.17 − Выравнивание распределения тока в

параллельно соединенных диодах с помощью резисторов

По этим же причинам нельзя применять измерительные резисторы для определения распределения тока в параллельно соединенных СПП.

3. Выравнивание тока в параллельных цепях с помощью индуктивных делителей тока. Практическая реализация этого способа на примере двух параллельно соединенных тиристоров показана на рисунке 3.18.

Индуктивный делитель представляет собой тороидальный витой магнитопровод, через окно которого проходят токоведущие соединительные шины, являющиеся одновитковыми обмотками. Направление намотки обмоток выбирается таким, чтобы протекающие в них токи создавали в магнитопроводе встречно направленные магнитные потоки.

Результирующий поток ΔФ = Ф₁−Ф₂ будет определяться разбросом токов I_T1 и I_T2 в параллельных ветвях. Под воздействием этого потока в обмотках делителя тока индуцируются противоположно направленные ЭДС. Причем в цепи с меньшим током возникшая ЭДС действует согласно с напряжением питающей сети, а в цепи с большим током − встречно.

Рисунок 3.18 − К пояснению принципа действия

индуктивного делителя тока

В результате обеспечивается уменьшение тока на тиристоре, который оказался перегруженным и, наоборот, увеличение его в другом тиристоре.

Эффективность делителей тока определяется в основном сечением S магнитопровода в квадратных метрах, которое рассчитывается по формуле

, (3.9)

где U_Т − максимальный разброс прямого напряжения СПП, В; Н − напряженность магнитного поля в магнитопроводе, А/м; В₀ и В − остаточная индукция стали магнитопровода и индукция, соответствующая напряженности Н, Тл; ΔI_ср − допустимый разброс тока в параллельных ветвях (среднее значение), А; l_μ − средняя длина магнитного пути в магнитном проводе, м; f − частота импульсов тока, Гц; k_C − скважность импульсов тока; ω − число витков токоведущих шин.

Наименьшие габариты индуктивных делителей тока получаются при подборе приборов СПП с минимальным разбросом характеристик по падению напряжения и при увеличении допустимого небаланса токов. С увеличением числа рабочих витков габариты делителей также уменьшаются, но из-за удобств в конструктивном отношении в большинстве случаев применяются одновитковые делители.

При параллельном соединении тиристоров необходимо учитывать вероятность неравномерного распределения тока из-за неодновременного их включения. Частично устранение этого режима достигается за счет повышения мощности и крутизны фронта управляющих импульсов. Несмотря на усложнение конструкции силовых блоков, выравнивание распределения тока посредством индуктивных делителей является наиболее эффективным и распространенным способом. Существует несколько вариантов включения их в силовых блоках (рисунок 3.19), выбор которых определяется числом параллельно включенных СПП, требованиями к допустимому уровню разбаланса токов и возможностями конструктивной компоновки блока. Схема на рисунке 3.19, а, получившая название «замкнутой», рекомендуется для применения при числе параллельно соединенных приборов n ≤ 6. Если n>6, то лучше применять схему с «задающим прибором» или «с общим витком». Последняя из них показана на рисунке 3.19,б.

Распределение тока по параллельно соединенным приборам в режимах перегрузки. Для пояснения особенности распределения тока в параллельных цепях с СПП при импульсных токовых перегрузках обратимся к рисунку 3.20, где приведены вольт-амперные характеристики одного и того же тиристора.

Одна из них (1) получена при комнатной температуре, а другая при максимально допустимой для данного типа прибора температуре 125°С. Как видно из рисунка, они имеют точку инверсии А. Это значит, что в интервале изменения тока до точки инверсии характеристик при увеличении температуры нагрева PN-структуры падение напряжения на приборе u_T уменьшается. При токах, лежащих выше точки инверсии, наоборот, повышение температуры u_T приводит к увеличению и у всех типов СПП точка инверсии вольт-амперных характеристик находится в области токов, близких к допустимым средним токам.

С учетом этого при аппроксимации вольт-амперных характеристик прямой линией U_T =U_(TO) + i_Tr_T предполагается, что параметры U_(TO) и r_T не зависят от температуры. По мере увеличения, амплитуды, импульса тока, перегрузки, характер протекающих в СПП процессов изменяется, так как все в большей степени начинает проявляться взаимосвязь между скоростью нарастания тока, выделяющейся в структуре мощностью потерь и ее дифференциальным сопротивлением. Разогрев структуры приводит к снижению подвижности носителей заряда и как следствие − к увеличению дифференциального сопротивления P-N-структуры прибора.

Рисунок 3.19 − Способы включения индуктивных делителей тока

Выражение для u_T в этом случае имеет вид

(3.10)

где k_R ─ температурный коэффициент изменения дифференциального сопротивления, численное значение которого зависит от типа прибора в температуры его нагрева. Очевидно, что для точных расчетов нагрузочной способности СПП необходимо знать зависимость k_R = f(T) во всем диапазоне изменения температуры, для этого ее можно определить экспериментальным путем. При ориентировочных расчетах можно использовать усредненные для каждого СПП значения k_R, которые легко определить по приведенным в справочных материалах предельным вольт-амперным характеристикам.

Для тиристоров со средними токами 630…1250А значение k_R=(0,65…0,9)10^-6 Ом/°С. Имея в виду слабую зависимость от температуры порогового напряжения U_(ТО), изменение можно выразить в неявной форме непосредственно через падение напряжения на приборе. Обозначив температурный коэффициент напряжения через k_T, для заданного тока имеем

где и − падение напряжения на приборе при комнатной и максимально допустимой температуре соответственно.

Рисунок 3.20 − Предельные характеристики проводящего

состояния тиристора Т253-800

Например, для тиристора Т253-800, характеристики которого приведены на рисунке 3.20, при амплитуде тока перегрузки 6 кА

k_T ≈ 0,287. В точке инверсии вольт − амперных характеристик коэффициент k_T = 0, а при токах, лежащих ниже точки инверсии, он принимает отрицательные значения. Переходя к рассмотрению распределения тока по параллельно соединенным СПП, можно констатировать, что в режимах перегрузки зависимость дифференциального сопротивления от температурного состояния приборов способствует выравниванию в них токов. Действительно, через СПП, обладающий при исходной температуре меньшим сопротивлением, протекает больший ток. В результате мощность электрических потерь в нем увеличивается, что вызывает соответственно повышение температуры нагрева

Р-N-структуры и сопротивления r_T. А это, в свою очередь, приводит к ограничению тока в этом СПП и перераспределению его по другим параллельным цепям.

Следовательно, силовой блок с параллельно включенными тиристорами или диодами, работающий в режимах кратковременных токовых перегрузок, можно рассматривать как систему, охваченную внутренней отрицательной обратной связью (тепловой). В такой системе происходит автоматическое перераспределение тока в параллельных цепях в соответствии с тепловым состоянием СПП. Причем эффективность выравнивания токов возрастает с увеличением амплитуды тока перегрузки. На рисунке 3.21 представлены результаты экспериментальных исследований этих процессов в силовом блоке с четырьмя параллельно соединенными тиристорами Т800 с несогласованными характеристиками в проводящем состоянии. Предельный разброс по параметру U_(TO) составлял 0,15 В, а по r_T при комнатной температуре − 0,006∙10^-3Ом.

Для того чтобы исключить влияние на распределение тока конструкционных факторов, тиристоры располагались в пространстве по окружности, что обеспечивало равенство активных сопротивлений шинных соединений, индуктивностей и взаимоиндуктивностей цепей. На рисунке 3.21 приведены кривые тока в тиристорах с максимальным разбросом вольт −амперных характеристик.

Из них видно, что разбаланс токов в начале полупериода, когда нагрев структур еще не оказывает заметного влияния, достигает 65 % (при 1 = 2 мс). Начиная со времени t ≈ 2,5 мс кривые тока в тиристоре с меньшим (1) и с большим (2) начальным сопротивлением сближаются. На спадающей части полупериода разброс токов уменьшается до 7 − 12 %, что вполне приемлемо с точки зрения максимального использования нагрузочной способности СПП.

При увеличении амплитуды суммарного тока через силовой блок разбаланс токов в начале полупериода увеличивается, но процесс выравнивания токов начинается быстрее. Заметим, что из-за кратковременности сохранения относительно большой неравномерности распределения тока по сравнению с общей длительностью импульса перегрузки разница в температурах нагрева приборов не является определяющей для нагрузочной способности силового блока.

Рисунок 3.21 − Влияние температуры нагрева СПП на

распределение тока при параллельной работе

Из изложенного следует, что в некоторых случаях, когда аппарат предназначен для работы в импульсных режимах, силовые полупроводниковые блоки с параллельным соединением СПП могут выполняться без специальных элементов, обеспечивающих принудительное выравнивание токов по цепям. Это важно как в отношении оптимизации конструкций, так и для снижения затрат на создание аппаратов.