Poluprovodnikovye_vypryamiteli_1978

.... .ПОЛУПР,оводнlfковы.е выпi:)яМ'и~е.iIи/,Бе-ркович Е. И:,

П53 Ковалев В. Н..;' Ковалев Ф. И: и др.; Под;. ред...

Ф.. И. Ковалева,И ' П; Мостковой. ~~-e{';',

реработ:М;: Энергия, 197~,~A48 с.,~л: ,,':':

, 'Авт. указ.Наоб~роте; т. п. ,С;" , ).,~" .

I\нига посвящена .мощным'полупроводциковым выпрямителям; pac~;~,f

сматриваю-reя цаиболее перспектнвные типы схем, приводятся ра~чет'.!~J

.. ные соотношения' для рабочнх характеристик и энергетических показа~:liр;

'.телеl\:: Прнводит,ся анализ работы. схем в нормальных и ввариIlНЫХ.i1i\

. ,'. режимах. Описываются .CBolI~TBa ,н 'Э,I<СI1луатационные характеРИСТНКllj:~J.;.

современных полупроводниковых диодов и тиристоров, а также СИ:"f:)

стемы управлеиия, регулироваиия 'и защнты. Прнведено. ОПИС~НИ~~А.

конкретных выпрямительных установок для наиболее важных·.. ~\л'~""'i

стеllI(п:.;:.~еН;:::ii~знач~на для ~пециалистов. работающих в облвсТU~;У

,эксплуатации и. проектирования выпрямительных УСТРОЙСТБi:; и ыожет;:.;,,\

быть полезна .студентам высших и средних техниЧеских· уче HЫX,~~~e-;.,)

;~ ;;;~,i;.! '.МЫУIЛе.нности; для питания сиt:темы элеКТРОПРliводапо-

'5:,стоянного тока различного· назначе.НИЯИМQЩНОСТИ;ДЛЯ. '\'

"1.:,':в'о?буждения .КрУПНых'электрических'генератороВ;~.. для ...... ;

<.,;Р.'1я.гQIlых,подСтан.циЙ' и .:м~гистраJJ~НЫХ .электровозов " :.;;, .

. ..;:' переменного··тока и~для .удовлетвореннямногихдругих.

'.'!',,;:.'Авторы ставилисвоей'це'льюна основе: имеющихся

;·разрабоТок,· обобщения... литераTYPHbix; источников' Я.

:' irромы'шленного опыта осветить в даННОЙ'I{fflиге .ком,плекс

основных. задач; ,возникающих, при' раiрабqтке мощных

"вьiiтрямителей на ПОЛУПР()ВОДНИКОВЫХ,вентилях, и·'опи­ са'ть~ряд полупроводниковых выI1рямительныы,'·устано-: •.

вокразличного•.. назначения;'освренныIx..... и:;выпускаемых

отечественными заводами., . '. < '.. ;<'. . .

>'. "В:' книге ПР~IВОДЯТ~Я основные, сведеI;IИЯ по . теqрии

пре.образования. Это. позволит Чi1тателю, ~e обращаясь

.к'щJугим источникам, разобраться в существепроi'е­

;кающих/,В'" выпрямителях процессов и иметь BceOCHOB~"

ны'е соотношения, 'flеобходимыедля расчета, и проекти-,

.;Jювания .различных. вьшрямительных установок. .

,,',\ '.. '. В гд: 1 приводятся:<р~rкие ;сведения, о fIОЛУП'РОЩJД:':\

.'.; никовых вентилях, их своиствах, параметрах и характе-

"'.·:ристиКах. . ...... , ,.>:'.; ~ '1'". ,'..' " ' .

" . ',---"

. Вгл. 2-:--3излагаютсяосновнь~е положения теории .

и, ра~четамощных выпрямителей:.. рассматриваются, ;:):IРИНЦИП' действия, расчетныle соотношения,- внешние ха- .

....:рактеРИСТИКI:I,. энерге:гическиепоказатеl;lИ для'различных

схем выпрямления,;fiаиболее перспективных';при исполь­

.' •.. :' гл,авыI~7-- аварийныМ··..·.режIIмам.ВьiпрямитеJI~й,·

" защите установокрт.сверхтокоВ··и. перенапря}Кений..·. .••••....

. Вгл:8рассм~триваются K~HKpeTHЫ~ . выпрямитель­

ныеустаНОБКИРЗЗЛИЧНОГО назначения С точки зрения

'особениостей 'l!X .работы,характерисТик,параметрОВr

конструкций и охлаждения. 'с' ' .. . "" '.

. Глава.! написана инж. В. В.ПырковыМ и канд.техН.

наук Ф.. И.• Ко.валевым,· гл,. 2:иЗ ~ЩIЖ, В. В. ПрlРКо.вым

~'икаrн)J., .Техн. наук Г. П" МОС~~()JВОЙ(§ 2-11iна:пис~ш

KarнД.1'exlН. iнaY,K. В.Д. Кочетковым); гл.• 4---': канд.'теХ'Н.;

наук k,И.ТолкаЧевым,канд. теХ'н.НаукВ. Н, Ковале­

, ... При' описаш~и. к()нкретных преобразователеЙИСПОЛЬ7 ..

зо.ваНЫ.дзнные.· разработок, исслеДОI;JaНИЙИ" испытаний, .. '.

дроведенныхв ВЭИ'Имени. Ленина,ВНИИэлектропрн~ вод, ПО'«ПреобразоватеЛЬ»,на заводе«Электро.выпря- .

мите.ii:ь», ТЭЗ им. М. И.·К:алинина 11 других преДПРИЯ7

тиях.. .

. ...Всепо.желания и замечанияпо.:данно.й~рабо.те QУДУТ

распределение

осуществляются на переменно.М:то.ке.; ВТО '

время 'из: всей вырабатываемойэлектри~еским'и

Со.ветско.го. Союза электроэнергии более 25%

ввиде. постоянного 'тока..'Это .' связано

что.,часть потребителей может работать только

П(jСТо.янном .. TOK~. Другая. часть потребителей.имеет

" Дляпрео.бразования переменнаго то.ка впо.стоЯнныЙ.,

настаящее . вреМЯПlJЧТИ исключительноприменяют~я

. полупроводниковые! ' преобразователи . . электрической <

энергии . выпрямители..

. Значительный прогресс·в .. прео.бразовательнойтех-

нике связан С созданием СИЛОВЫХ.ПОЛУПРОВОДНИК()ВЫХ

. вентилей. Высокие электрические параметры, малые гa~

бариты и ма,оса, простота IКОН1СТРУКЦИИ >и. обслуживания,

ВЫС9кая экс~луатационная надежн~сть .полупроводнико;.

вых вентилеи позволяют ШИрОКО' использовать их в' схе-·

мах преобразавания переменного така в постоянный.

..,<Силовые кремниевые диады. и тиристары отечествен~. "

. :наго производства обеспечивают параметры по току:.

10~1250A и напряжению да единиц киловольт.

Рабочие параметры вентилейостаютсястаБИЛЬНЫМИ,i '

чри температурах до 125~140()C.

. ртечественная промышленность освоила выпуск ce~'

риикремниевых диодав; обычных и' с>контролируе~IМ

лщ!Иноабразованием .итиристоровразлично.r:а целеваго

назначения (общепро.мышленных; высоковольтных, BЫ~

. Освоение промышленноговыпуска кремниевых дио~'

:.Дов·и тиристоров .ПОЗВОJ!lIЛО создать серии.выпрямитель-· .

~~IxarperaTo.B с регулируемыми И,стабилизиро.ванными

.. Внас;~яще~ 'время для изготовления силовых полу~.

,ПРОВОДНИКОВЫХ вентилей' в качестве полуiIР~В<:ДlНИКОВО- ".~."

го материала в основном использу~тс:я кремни,И.·

,1-1. ДИОДЫ"

~: ()сновным·рабочим элементом. диода , (неуправляемо~о:

, . полупроводникового'вентиля) ,~служит вырезанный, из

монокристалла кремния тонкии Д~CK; гдеформируется~./

.р-n-переход. Сам кремниевый дискприпаивается к одно­

му или двум-термокомпенсаторам, ,образуя тем самым

... конструкцию венти~ьного элемента, которая" в , свою ,o~e~

реДЬ'шiйкой' или" нажимным~ контактом со~диняется > " с. корпусом и выводами прибора.· Герметичныи ; КОРПJ:С

обеспечивает механическую защиту венти:льного элемен­

та; а также осуществляет электрическую. изоляцию

аlЮДНОГО и катодного выводов. На, рис. l-l,а, б в каче­

стве примера показан разрез неуправляемых: кремние- .

1 В . стадии; экспериментальныIx разр'аботоi< находятся приборы '.

на основе других' типов пО.лупроводников. В виде .приме~а можно 'упомянутьприборы 'на основе фосфида индия, арсе~ида галлия и

фосфида галлия -[Л. 6]. Некоторые из этих вентилеи ~меют очень /

BЫCOKY~ рабочую' температуру р-n-шорехода '(400-1000 С):

8

[~3)f;Ir:~~Yiвентилей.. двух.типов,·ютыревой конструкцини

: КИХ'частот представляет. собой ю~линейное несимметрич­

нОе'.:а:ктиБное('сопротивление, iKOTopoe зависи! от'При~

ложенного к диоду напряжения' и его поля.рНQlСТИ;;

....• Направление,' в котором диод имеет ~алоесопротив­

ление, называется прямым' или проводящим, противопо-,

ложное направление с большим сопротивлением назы-

вается обратным или запирающим. Соответственно ток,

прот~кающий через д:iюд,-, в зависимости от, полярности

'ратным. Одной ,из важных

характеристик' полупровод­

никового вентиля 'является

зависимость протекающего

через вентиль тока. iB ОТ

приложенного' :напряжения

Ив' (вольт-амперная харак­

терис'шка 1). На ри,с. 1-2,a~в прrи:ведены' у,словное, обо­

,вого диода следует различать' две ветви: прямую' (она

построена BrrePBOM квадранте) и обратную (построена'

в третьем квадранте). дЛ,я удобства обычно прямая и

обратная ветви характеРIIСТИКИ строятся в разных

,масштабах. Для оценки этих 'масштабов 'заметим, что

()тношение прямого и обратного токов в современных

полупроводниковых диодах достигает 103-105. Отноше",

"нне допустимог() обратного' напряжения к прямому па-

" дению при рабочем токе равно приблизительно ,102,--103;

"::Здесь и далее, Ч этой. главе для токов и напряжений диодов

.И тиристоров использован индекс ,«в» для общности с 'изложением

:,.·'13·посmiдующих главах. '"

9'

.ной 'характерИСтикИ~<?Ji.ерЖ,итДва•. харакrеР!lЫХ~У~!i:~ка.;".у~" .

,":\ На,"П~р'i30м;:у'частке</(помечен: на.,рис.l~2;~ ,'бук~qli"~),('/

",~/диодиМееТ,'.сРавиите-!!ьио>высокое;.с'ОПРQтивление;~" "~:',,

'.:~:;.'пРИ.ДОС1'I1жении: ,ПРJIМЫМ. "Н~JJряжеlIием' •. значе~ия.,;'

'~~UH'i(равногооБЫЧНО}Iескол~:ким: деСЯТI:IМ вольта).;c.O~i;,:

протlIвление диода~резко II~дае~ И,;на:инае~с~ учас:о~

\.маЛОГОСQПротивления(пgм.еIIенбуквои Б). '... ',. <;:.

•..• '0"На .0братноЙ .• ветвиiобы,ч.н,оразлич~IOТ три xapaK1:ep~

;HbIX участка.' Цервый у,Ч,асток.~П()ме~ен' БУIШQЙВУ cp.a!3~;" .

"яительно.; невелик и. соответствует,'ещедовольно, BbICO-

.··койпроiодИмости'; .' На.. ВТОl)О1\: .' участке(IJ.... lIа.ст,УП,а~т

,.' я;вление насьiщения, при котор()м . рост обратн~го .;TOK(:l,. ,

);'"С::заме)iлен•.Тре:гиЙ. участок,.харЭжтерис:гики. '(д)..,Qпрер.е:, /'{IяетсянаС'I'уплеНlIем рроБОЯ,дIIо]!.а. При.·этом, обра'I'Нl>IИ;,. ,

обратной характеристикОй-:лавинные.ДliО-!-Lы.,Обрат~щя ,

Больт~аМIIериаяхарактер:истика лаВИ!lНОГО.. д~ода",покаj:

.... занашl рис. 1-2;в 'штрих-пунктирнои лини~и.Пробо~

','р~n~переходалащшнО.го ДИОД~,лроисходи~ отиосительно

.:.р:авНОмерно .По~':[3сей еI'о'роверхн()сти,и;еСЛИМQЩНОСТЬ;;

". ВEJдеJUIемая ,.в переходе, не 'превышает .определенно.го

аначения,' про~ой:,являет~яобраrимым [Л; 3, 6]и;·Ма~{(:И7.

:IIiаЛЬfi6е ;нап'ряжеиI,l~ обратной вОЛЬТ7аМj]ернои. xapa~-" теристики .ла'вииных ДИОДОI.lназщз~ется .напряжение~

JIавинооБР(i;:юва~ия, (ил) >: '. ."> .,... . . :). '.. .

Явле,ниеобра'I'ИМОГО" пробоя·., испольауется ,.также. ,ВlспециалЬ'ньjхуправляе,мы~ П'р'ибо~;ах, ,которые ,служат

только для огранич~ния напряжении на элемеН'I'ах 'э.л,ек-. '

трических,схем.. Подобный тип приб6Р~ нааывается д~y:

стоРон.н'ий .ограrни-qитель JНапряже!IИяилr:~иМ'метричныи

ста'БИ.'IитроН_[Л;'3,6]. Обратчмыигробои ;двyrсторо:ннего 'ограНичитеЛЯ'I.Iрзникает<прилюБОИ полярност~ прило~

.,Женного ~. напряжеиия. .Полупроводниковая.стрУКТУРа"

этогО..Ii:риБОRа.·. аналогичнапd~ледовательному с()едине-'

ниюдвух встречно:. ВI~люченных.· лавинНЫХ.

;рис~ 1~3,a~8 покэ,З8.Ны условно~об9~на~~иие

10

.~'~f[f~);;:~~~T~~~~~~~:e~~~~~~~·,~:~;J.3

,.' ,падает при.близительно Полинt;йному ааконУ.·темПеРа~

',' турная, ~увствительно~ть ПР$iМОГО п~дения напрюкенИi.

... ; д1!-яразличных силовых. кремниевых.: диодов. ,'лежит

"":.', в ,пределах 1--'-2~5 мВ/ОС [Л.' 6];'С,увеличенИем'темпе..;,;.

,ратуры кремниевых вентилеЙ'JIаблЮдаетсЯ·бысТрыЙ,"

.' . ;;, рост; обратного тока' (приблизнтельновэксiIOиенцirа-ль~

",:~.; ной' З<tВИСИМОСТИ)'- '. '. .' ..... ..',>:У

.;;.i; > :сПотери,вiIО.JIУПРОВОДНИКОВЫХ диодах. в связи с тем

;t1~::~:~';::ЧТО (~опустимаЯJIа~рузка диода опреде.'Iяетсятемпера~/

":'\~~'.':.;iТУIJ(ЛГего р-n~перехода, целесообразио ,неСКОЛЬКО,'i,це~

:~Ji:/:,'~;,';~а~ьиеерассмотреть вопjюс.опотерях в. приборе..', '

".. rA;:,;: 'в диоде. различают три вида потерь::потериотпря-'

,.:~З;·;~ЮГ~,Т(жа, П,отери от 06ратного':гока, и ,коммутациdнны~

;:':;\',п~теР!1'<:ВЯЗЬ потерь со .значениями прям()гоиобратно:­

,/,;<'.;,Г() токов ,наиболее удобно' рас'смотреть, аппроксимировав,'

. :':;,;;' р<:альную .вольт-амперную' х~ракТеристику .• диода. неко­

·<:•.;;;\\"]ОР?Й,:, кус?чно-лЖfейной аависимостью,'(РИС.. 1-.4). Как.,

,,: роказано. на.' рис; 1-~;> прямая~ветвь .харакrеРИСТИI}И

~:}~'~:'\<lППРОI}rимирует:я двумя' прямыми.В~том 'случае' пар'~~'

:~етрами прямоиветви; СЛУЖ:;Iтначальное падеиие на

.<:';:j;веНТИlIе,'Uо (напряже~ие;отсе,ЧК'И илидороговое напр~,~

,;".t(JКение), и epeДH~e дифференциальное сопротивление' на" ,.- '

;; ;:'.;,ir;,~р~е;9,чемjгчастке прямойветви'характерис~икиДд(диф- .'

ДиффереНlJ,иа.rI~но~ .' с~противление

щемвиде:

. Uв.п=Uо'+Rдiв.п,

,,::\:\:"стоятеЛЬСТВО,следует УЧИ"I:ывать при, выборе. диода, так

;~i<,\./,каККОЭффициент формы криво.Й.тока через диод зави-:

;",сит отряда причин. Например,,'форма кривой· тока

;;:·:~'~.д~oдa можетеущественно зависеть. от режима' работы,

>,:,{в,ыпрямителя. Соотношение.между'долеЙпОтерь отсред­

-;,у,'{: ,;' .неГо значения тока и .долей потерь ОТ'действующего

·'Д:,'.<'.зна:,rения определяется,Иои RД, а также током вентиля;

......принормальных· нагрузках, как'. праВИЛО,,'превалирует .

.' <;/;"доля потерь от среднего значения тока, а при перегруз­

;:i~'" '.','кахпотерИ(шределяютсяв 'Основном действующимзна­

":ч~~ием тока.. Например, при каталожной нагрузкеднода

::>'Пользуясьапп'роксимацией обратной ветви вольт-ампер-.

,',' . ной характеристики диода согласно рис; 1~4, для. MfIio-

/)i.!~C венного значения обратного тоКадиодаiв.Об/r,iОЖНО на­

писать:

,;1,::

~. . где Ив.об- MГ~OBeHHoe значение обр'атног~ напряжения:

,.,.'обратной веrви во~Ьт..а,мперноЙ характеристики,: '

где Ив.ер И Ив- соо.тв.еТственноСреднее и действующее

.значенияобратного lIапряжен~яна' диоде.

Как видно И3 формулы (1-5), МОЩНО,сть :чотерь при

.рабqте диода .на обратной ветви ~арактеристики зави~

'<:ит как .от среднего, ,так и отдеиству~щегозна'!ении .

Qбlратногонапряжения.. Обычно поте.риот обратного !ока;сравнительномалы(57Щ%i общих. ПQ'J)ерьдля

;I):ремНиевых~диодов). Однако в ряде случаев, например'

.13

повышенной? М~ЩНОСТИ"'потерь,!;иодов:,основна~:;

доля:моIцностикоммутiщионныix потерь'. связана; с про­

Формула (11-7) вывед~на'liсходя из/линейной ;аппро~

ксиЩ'щии кривыхiв(t) ИUв(t) В,иитервале /)':iОб.с. !\ом­

мутацiIопныепотери играютсущест]3е'ннуIO. роль идолж­ ны ·б.ыть учтены только при работе ДIюдовв преобразо­

,вателях .повышеннОй и высокой ча<;тоты(f>400 Гц).

. '. При большой рабочей частоте ср.еднеезначен'ие мощно­

сти коммутационных потерь .может составлять.·.. значИ­

теJIЬНУЮДОЛЮ ОТ пОлной мощности потер'ьвдиОде. .

. Для выпрямителей, работающих на повышенной и

:.высокой. част()те, следуетпримеНять.специальные высо:

,коча~то:тныедиодь~, .которые обладают. меньшим ,време-

нем восстаНОБленияорратнойзапирающейспособности

исоотвеТС'l::венно..имеютменьiuие коммутационные J.IO-

мителя индуктивностей .' резкий' обрыв. обратного тока '

после рассасывания избыточных I-Iосителей может явить-

ся причиной возникновения перенапряженийнадиоде,

'Полупровод~иковыедиоды'являютсяэлементомпре~

образователя, наиболее.. чувствительным К.перегрузкам.:·

Это объясняется тем,.что сама MaCC<i активного тела

Jдиода,.·где сформирован, р-n:переход,' очень MaJla ,(тол-

,.щинакреМниевого,дисКаоколо 300 мкм),иего темпе~

ратура в случаепротекания:токаперегрузки быстро.

достигает критической, при которой исч:езает вентильное .. ДеИствие;·причем .при резком возрастании 'тока темпера­

тура .. области, р-n-перехода может' быть существенно'

'выше температуры осТальноЙ.массытела диода. Поэто­

мув технических, условиях на диоды задаются допусти~

. мыI'перегрузкаa иее:длительностъ перегрузочная спо­

собность~ Типовая 'зависимость прямогоперегрузочного .

тока от продолжительности перегрузкидля 200сА крем­

.' ниевых диодов, приведена на рис. '1-6.. Перегруэочшiя

способность диода.Зависиттакже,от,~ого, был ли диод

16 .

:tl,.~:..f••.'.t,~::·;;:•...:...~;"+...'.·.;..'.;.......'}.\.•·..·...;......••'.•.....••цессе.•;.•.•.'....~...•..B.. ь...;IД.....егоe.~~~.работыиев. м.а.лэначительногоколичества...ом... Объеме....с.Тр.укту.. .. р.ы..д..и.ода....теплотыв.';...Пр.о...:.....;.~

;~;;;~~t;~!),!,ребует созданияхорошеГd теплоотвода.:. СуществуюТ",......

!~ч.;-'.?с.5"~тRи основных. вида : охлаждения (диодов: воздушнОе,;. .'

:";:?~!;,~;~:;жидкостное и испарительиое:В случае воздушного охла-'

,i; ),'.ЖИдкостном ,охлаждении' в

:.' р •.••.•. ,.к.а.ч... е.стве хл.. ар.о.аге.нта'О,быч-

1._~нo .' применяются вода или

., ,;;трансформаторное;' масло,

.•\;~: которые .' циркулируют через

",~,ii;:~;;, радиатор диода.. Охлажде­ I··,.~~t~;:<~ниесамого хладоагентапро­

iN';;;.:i,и:зводится . в. специальном

IC.L~"i;;;:;.. Основныепараметры полупроводниковых .ДИОДови'

(;;;j·н.выбор,.допустимых нагруз,ОК. Основными параметрами•.

~"':>~ :;режим диода, Т.е, температуру р-n-перехода. Второй

[" 'параметр определяет коэффициент запаса по обратно­

е'> мунапряжению, с которым, работает диод. Эти величи-

)":\ ныне яв.'Iяю'Гся. постоянными,. а. зависят. от условии'

'работы диода. Например, допустимый прямой ток' в::иi- [. ',висимости ОТ.' вида. охлаждения диода может меняться.