Способы обеспечения равномерного распределения запираемого напряжения по последовательно соединенным силовым полупроводниковым приборам

Введение. Групповое последовательное соединение силовых полупроводниковых приборов (СПП) используется в том случае, когда напряжение, которое прикладывается к вентильному плечу, превышает напряжение класса отдельных приборов.

Основной задачей при последовательном соединении СПП является обеспечение равномерного распределения напряжения вентильного плеча по приборам группы. Поскольку значения основных параметров СПП, таких как ток утечки в состоянии низкой проводимости (СНП), барьерная емкость, время задержки и время включения тиристоров, время обратного восстановления и заряд обратного восстановления, имеют технологический разброс, то при последовательном групповом соединении требуется компенсировать различия в величинах данных параметров приборов.

Обзор существующих способов. Схема группового последовательного соединения трех тиристоров представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Схема последовательного соединения тиристоров.

Метод, рассмотренный в [1], позволяет рассчитывать значения параметров устройств, обеспечивающих защиту СПП вентильного плеча при их выключении от различных перенапряжений.

В [1] рассматривается динамическое распределение напряжения по приборам последовательной группы при их выключении. На рисунке 2 представлены зависимости токов и напряжений на СПП вентильного плеча, состоящего из двух приборов с различными значениями Q rr .

Рис. 2 Зависимости токов и напряжений на СПП вентильного плеча, состоящего из двух приборов с различными значениями Q rr .

Вследствие наблюдаемого технологического разброса значений заряда обратного восстановления Q rr отдельных приборов вентильного плеча, различаются величины их времени обратного восстановления t rr , что приводит к неодновременному выключению СПП. При выключении СПП последовательной группы перенапряжение возникает на приборе с меньшим значением Q rr , поскольку он выключается первым и к нему прикладывается напряжение вентильного плеча.

Из рисунка 2 видно, что накопленный заряд первого прибора Q i больше, чем заряд второго прибора Q 2 . На рисунке 1 1 и 1 2 - временной интервал между точками прохождения через нуль тока, протекающего через СПП, и напряжения на нем для первого и второго приборов, соответственно; i A – ток, протекающий через вентильное плечо в состоянии высокой проводимости (СВП); u АК VS 1 и u АК VS 2 — напряжения на первом и втором приборах вентильного плеча, соответственно.

Рисунок 2 показывает, что при выключении второго прибора с меньшим значением Q rr , начиная с момента перехода напряжения u АК VS 2 через нуль, к нему прикладывается общее напряжение вентильного плеча. В момент времени, соответствующий переходу напряжения u АК VS 1 через нуль, закрывается первый прибор с большим значением Q rr , и общее напряжение начинает распределяться между двумя приборами группы.

Для расчета процессов, протекающих в вентильном плече, состоящего из двух приборов с различными значениями Q rr , рассмотрена схема, представленная на рисунке 3.

5	7VS1 [	] Rv = Су
5	7VS2	] Ry

Рис. 3 Схема для расчета процессов, протекающих в вентильном плече, при выключении приборов с различными значениями Q rr .

Рассмотрение процессов, протекающих в схеме (рисунок 3), позволяет определить разброс величин напряжений на отдельных приборах вентильного плеча в состоянии низкой проводимости при заданных значениях параметров снабберных цепей. Значения емкости снабберных конденсаторов СV и сопротивления снабберного резистора RV рассчитываются для всего вентильного плеча в соответствии с методом, описанным в [1]. Для расчета необходимо знать амплитудное значение напряжения на контуре Uk = Um, величины индуктивности контура коммутации L, и максимальные значения Qrr, Irr и trr полупроводникового прибора, определенные из справочных данных. Полученные в результате расчета значения С и R распределяются по n контурам последовательно соединенных СПП. Значения сопротивления снабберых резисторов Rv и емкости снабберных конденсаторов Cv для отдельных СПП вентильного плеча определяются следующим образом [1]:

R V = ¹ R ; C V = nC ,                                (1)

n где Rv и Cv — сопротивление и емкость делительного контура V-ого СПП.

Из рисунков 2 и 3 видно, что прибор VS 1 имеет больший остаточный заряд Q 1 , вследствие чего смещается момент спада прямого напряжения на нем до нуля. Разность зарядов A Q rr приборов заряжает конденсатор C v , и на нем появляется напряжение A U v , которое равно [1]:

AUv =AQ^ / Cv.(2)

C учетом (2) получены выражения для полного напряжения на приборах VS 1 и VS 2 [1]:

U,S 1 =1 Uak (t )+Q-;(3)

U,S 2 = 1 Uak (tCQ-.(4)

По полученным выражениям (3) и (4) определяют значение максимально возможного отклонения напряжения A U v на приборах вентильного плеча от среднего значения и величины напряжения на СПП. В том случае, если значение напряжения на СПП превышает требуемое значение, то увеличивают количество приборов в вентильном плече. С помощью осуществления данных операций метод, описанный в [1], предусматривает обеспечение равномерного распределения напряжения по СПП при их последовательном групповом соединении.

В [2] представлена формула для расчета значений емкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих равномерное распределение напряжения по приборам последовательной группы в переходных режимах:

С >  ^{( n} - ВЛ Q rr 10 - 6 ,                                   (5)

nU - EK где n - число последовательно включенных приборов; AQrr - наибольшая возможная разность зарядов обратного восстановления приборов вентильного плеча; U - наибольшее допустимое напряжение на приборе; Ek - наибольшее напряжение, прикладываемое к вентильному плечу.

Формула (5) может быть использована для расчета значений емкости снабберных конденсаторов только в том случае, если возможно оценить с высокой точностью величину Δ Q rr . В [2] отсутствует информация о том, каким образом следует проводить оценку значения Δ Q rr , поэтому для точного расчета значений емкости снабберного конденсатора нельзя использовать данный метод [2].

Существуют методы определения значений емкости снабберного конденсатора, которые основаны на использовании при расчете справочных данных СПП. В [3] данная емкость рассчитывается по формуле:

С = (0,3 V 0,6) Q rr —, (6)

0,8Urrm где Qrr - справочное значение заряда обратного восстановления приборов; Urrm -справочное значение повторяющегося импульсного обратного напряжения приборов. Коэффициент, расположенный перед формулой (6), выбирается, исходя из значения скорости спада тока в СВП.

Выводы. Существующие методы [1-3] расчета значений параметров защитных снабберных цепей, обеспечивающих равномерное распределение напряжения по СПП при их последовательном групповом соединении, обладают рядом существенных недостатков.

• 1.    При расчете значений параметров снабберных цепей используются справочные данные приборов, которые являются максимально возможными для данных СПП, поэтому значения емкости оказывается существенно завышенным [4].

• 2.    Метод, рассмотренный в [1], предусматривает увеличение количества СПП в последовательной группе в том случае, если при использовании снабберных цепей с рассчитанными значениями параметров величины напряжения на отдельных приборах не удовлетворяют требуемым значениям. Это приводит к увеличению массогабаритных показателей УСЭ и неполному использованию приборов по мощности, что экономически невыгодно.

• 3.    В методах, приведенных в [1–3], значения напряжений на СПП и величины емкости снабберных конденсаторов рассчитываются на основе информации о наибольшей возможной разности зарядов обратного восстановления приборов вентильного плеча Δ Q rr . Однако данные методы, опираясь на справочные данные приборов, не описывают способов определения значения Δ Q rr , что приводит к необъективности оценки величин емкости снабберных конденсаторов. Это приводит к неоправданному завышению этих величин, что увеличивает массу и габариты преобразователей [5; 6].

Для оптимизации значений параметров снабберных цепей необходимо:

• - применять усовершенствованные методики отбраковки и подбора силовых

полупроводниковых приборов для группового последовательного соединения и определения значений параметров снабберных цепей [7–9];

– использовать для исследования процессов, протекающих вентильном плече, математические модели реальных СПП [10, 11], в которых существует возможность задавать значения параметров их полупроводниковой структуры ПС [11; 12];

– с помощью специальной испытательно-измерительной аппаратуры [13–21] определять реальные значения параметров каждого прибора и на основе полученных данных формировать их группы для последовательного соединения в преобразователях электрической энергии.