РАЗДЕЛ 2
Исследование особенностей воздействия токовой
нагрузки на полупроводниковые ключи электронных аппаратов и ее расчет
2.1. Расчет характеристик управления регулируемых
полупроводниковых ключей переменного тока
Регулируемые ПК используются в электронных аппаратах с расширенными функциями,
которые и определяются способностью этих ПК регулировать мощность в нагрузке в
функции угла управления этих ключей. Для расчета такого типа ПК необходимо
знать не только напряжения и токи в отдельных СПП этих ключей, но и ток и
напряжение в нагрузке. В этой связи большое значение приобретают так называемые
характеристики управления или регулировочные характеристики, графически
изображающие зависимость от угла управления токов СПП, тока нагрузки,
действующих и мгновенных значений напряжений в установившемся режиме. Эти
характеристики необходимы не только для выбора СПП для ПК, но и для общего
расчета ЭА. Расчет основных характеристик управления для различных типов
регулируемых бесконтактных ПК переменного тока приводится ниже на основе их
конкретного анализа. Необходимо также отметить, что все полученные ниже
характеристики пригодны и для расчета управляемых ПК на стадии их работы в
регулировочном режиме.
При этом подходящий по току СПП для ПК можно выбрать, зная потери мощности в
нем и параметры охлаждения (среднюю температуру, тепловое сопротивление и
допустимую температуру полупроводникового перехода прибора, тепловое
сопротивление охладителя). Рабочее напряжение СПП выбирается, исходя из
значений стационарного напряжения, зависящего от схемы соединений, нагрузки,
изменений в напряжении питания, противо - ЭДС и переходного напряжения,
определяемого коммутациями и внешними перенапряжениями. Переходное напряжение
зависит от амплитуды и длительности перенапряжений, от характеристик СПП и
используемых средств защиты от перенапряжений и, как правило, определяется
приближенно с помощью коэффициента перенапряжений или более точно с помощью
методик, представленных в разделе 4.
Однофазные бесконтактные ПК переменного тока
Наиболее широкое распространение получили схемы ПК, изображенные на рис. 2.1.
На рис.2.1 а показана основная полностью управляемая однофазная симметричная
схема ПК «тиристор-тиристор». Нагрузка (LH, RH) присоединяется к питающей сети
через два тиристора, соединенные встречно-параллельно. Для того, чтобы один из
тиристоров мог начать проводить ток, к нему должно быть приложено прямое
напряжение, а к управляющему электроду - управляющий сигнал. Два тиристора,
соединенные встречно-параллельно, могут быть заменены одним симметричным
тиристором (симистором), как показано на рис. 2.1 б. Если управление
симметрично в течение двух полупериодов, то напряжение на нагрузке не будет
иметь постоянной составляющей.
Не взирая на то, что схема ПК с симистором (рис. 2.1 б) проще в сравнении с
основной схемой, она широкого применения не нашла в связи с тем, что
современные симисторы пока еще существенно уступают по перегрузочной
способности и по динамическим параметрам тиристорам [42] .
На рис. 2.1 в показана однофазная полууправляемая схема ПК «тиристор-диод». Её
применение ограничено потому, что, во-первых, энергия будет подаваться каждый
полупериод после прерывания управляющего сигнала, и, во-вторых, напряжение на
нагрузке имеет постоянную составляющую, если угол управления тиристора
отличается от нуля, а проводимость прерывистая.
Поскольку ПК являются основным узлом ЭА, определяющим его функциональные
возможности, то найдем основные расчетные соотношения, позволяющие, во-первых,
выбирать тиристоры, а во-вторых, определить характер их воздействия на
нагрузку. Для этого рассмотрим более детально работу ПК (рис.2.1 а) при
активной и активно-индуктивной нагрузках.
При активной нагрузке ток iH полностью по форме повторяет напряжение на
нагрузке uH . В положительный полупериод ток нагрузки пропускается тиристором
VS1, а в отрицательный полупериод - тиристором VS2. Благодаря симметричности
управления средние ITCP и действующие IT значения токов в обоих тиристорах
одинаковы и равны соответственно
, (2.1)
где - действующее значение напряжения сети;
- угол управления; J = wt.
. (2.2)
Используя эти выражения можно построить зависимость среднего и действующего
значений токов тиристоров от угла управления (в относительных единицах):
; (2.3)
, (2.4)
где и соответствуют углу управления .
Характеристики представлены на рис. 2.2.
На рис 2.3 дана зависимость коэффициента формы тока тиристоров от угла
управления, построенная по выражению
. (2.5)
Среднее значение напряжение на нагрузке , а его действующее значение
, (2.6)
или в относительных единицах
. (2.7)
Зависимость (2.7) является регулировочной характеристикой ключа и представлена
на рис. 2.4.
Потери мощности в одном тиристоре при условии, что основной источник нагрева -
потери в состоянии прямой проводимости [42]
, (2.8)
где - параметры прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора (пороговое
напряжение и динамическое сопротивление).
Максимальные значения обратного и прямого напряжения на тиристоре определяются
из выражения [4, 13, 42]
, (2.9)
где - коэффициент, учитывающий уровень перенапряжений, величина которого
обусловлена как собственно коммутационными процессами, так и внешними
перенапряжениями (обычно =