Последовательное и параллельное соединение полупроводниковых элементов

Весьма важным вопросом конструирования мощных полупроводниковых преобразователей является последовательное и параллельное соединение полупроводниковых элементов. Как известно, выпускаемые в настоящее время полупроводниковые элементы имеют большой разброс параметров и характеристик, поэтому эти элементы в редких случаях допустимо соединять последовательно и параллельно без специальных дополнительных выравнивающих элементов. Так, например, чтобы создать последовательное соединение, необходимо подобрать элементы (вентили или тиристоры) одного типа и класса, так чтобы их вольт-амперные характеристики в обратном направлении были по возможности сходными. Для того чтобы выравнять распределение обратного напряжения на последовательно включенных элементах, к ним параллельно подключают сопротивление R. Это сопротивление можно приблизительно рассчитать, разделив номинальную амплитуду обратного напряжения вентиля или тиристора (в вольтах) на значение амплитуды обратного тока (в амперах), умножив это частное на коэффициент К. Значение коэффициента К зависит от числа последовательно включенных вентилей V. Мощность сопротивления R можно рассчитать, разделив квадрат величины амплитуды обратного напряжения на сопротивление R и умножив частное на коэффициент К, зависящий от схемы преобразователя.

Чтобы избежать неравномерного распределения обратного напряжения в переходных процессах, параллельно к выравнивающему сопротивлению R включают еще конденсатор С и сопротивление R2. Емкость этих конденсаторов выбирают приблизительно в 100 раз большей, чем емкость тиристоров в переходном режиме. Обычно емкость конденсатора составляет несколько микрофарад, а сопротивление - несколько ом. В качестве примера можно привести 16 последовательно включенных неуправляемых вентилей типа ВКД-200, устанавливаемых в выпрямителях электропоезда ЭР-9, для которых используют следующие сопротивления и конденсаторы. Полупроводниковые преобразователи с последовательно включенными тиристорами используются пока редко, поэтому в настоящее время отсутствуют проверенные данные оптимальной величины шунтирующих сопротивлений и конденсаторов.

При создании преобразователей большой мощности не менее важны вопросы параллельного соединения элементов. Даже небольшое отличие вольт-амперных характеристик в прямом направлении может повлечь за собой крайне неравномерное распределение тока в параллельных элементах преобразователей. Так, например, в элементе из двух параллельно включенных тиристоров, вольт-амперные характеристики которых не отличаются более чем на 0,2 в, при общем токе 100 а и падении напряжения 1,25 в через один тиристор проходит ток 70 а, а через другой — 30 а.

Для выравнивания тока в параллельно включенных элементах в настоящее время используют следующие три способа: 1) подбирают элементы с одинаковыми характеристиками в прямом направлении; 2) последовательно каждому параллельному элементу включают добавочное сопротивление; 3) применяют так называемые выравнивающие трансформаторы.

Подбирая элементы с одинаковыми характеристиками, стремятся к тому, чтобы падение напряжения в прямом направлении при одинаковом номинальном токе и температуре не отличалось более чем на 0,05 в. Однако этот прием имеет существенные недостатки. Во-первых, вольт-амперные характеристики в прямом направлении нелинейные и зависят от температуры. Поэтому подбор элементов при определенном токе и температуре не гарантирует от неравномерного распределения тока при других токах н температуре. Кроме того, подобранные таким образом элементы дороже, а иногда их подобрать невозможно, так как завод выпускает такие элементы небольшими сериями. Равномерность распределения тока даже при таких подобранных элементах может нарушаться воздействием взаимоиндукции от расположенных рядом электрических цепей. Поэтому чаще применяют второй способ, т. е. последовательно с полупроводниковыми элементами включают сопротивления, хотя они несколько увеличивают потери мощности в преобразователе. Включив в цепь параллельных элементов, например, сопротивление 0,0057 ом, можно изменить вольт-амперные характеристики параллельных ветвей, так что при падении напряжения, равном 1,65 в, распределение токов в ветвях значительно более равномерное — 60 и 40 а. Этот способ применяется обычно лишь в том случае, если число ветвей не превышает пяти. При большем числе параллельных элементов чрезмерно возрастают потери мощности в последовательно включенных сопротивлениях и выбор самих сопротивлений становится затруднительным.

Более перспективным и экономичным способом выравнивания тока в параллельных ветвях в настоящее время считают применение выравнивающих трансформаторов. Такие трансформаторы имеют две встречно включенные обмотки с одинаковым количеством витков, включенные последовательно с параллельными вентилями или тиристорами. Если в одной из обмоток проходит больший ток, то во второй индуктируется э. д. с, пропорциональная разности тока в обмотках, которая способствует выравниванию токов. В случае максимального небаланса тока в трансформаторе индуктируется напряжение с амплитудой 1 в.

Выравнивающие трансформаторы служат одновременно и дросселями для ограничения скорости возрастания прямого тока отпирания тиристоров. Это очень важно, так как наиболее часто причиной выхода из строя тиристоров является чрезмерно быстрое возрастание тока в начальный момент отпирания. Так как отпирающий сигнал в тиристоре воздействует на сравнительно малую площадь р-n перехода и его расширение происходит сравнительно медленно (около 0,1 мм в 1 мксек), то в том случае, если анодный ток возрастет очень быстро (более 10 000 000 а/сек) на небольшой «открытой» площадке выделяется большая мощность, вследствие чего площадка пробивается. Ускорить расширение «открытой» площадки можно, увеличивая управляющий ток.

Известны различные методы управления последовательно или параллельно включенными тиристорами. По одному из методов управляющий сигнал отпирания подается только на один из последовательно соединенных тиристоров. Остальные тиристоры отпираются либо от того, что приложенное к элементам анодное напряжение превышает номинальное напряжение переключения, либо от того, что при изменении распределения напряжения на последовательно включенных тиристорах в цепи управления тиристоров появляется короткий импульс тока, образуемый вспомогательными конденсаторами С. При такой схеме управляющий импульс подается только на один тиристор. Импульсы для отпирания остальных тиристоров образуются в параллельной цепи. Чтобы отпереть тиристоры на 50—100 а при такой схеме, необходимы конденсаторы емкостью 0,1—0,2 мкф и сопротивления 1 на 100 ом.

Однако в устройствах, состоящих из многих параллельно и последовательно соединенных тиристоров, управляющий импульс зачастую подводится к каждому элементу индивидуально от отдельной обмотки трансформатора управления. При таком способе цепь управления гальванически изолирована от остальной части схемы и управляющий сигнал не зависит от работы остальных тиристоров.

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967