Диоды и тиристоры в преобразовательных установках/М. И. Абрамович, В. М. Бабайлов, В. Е. Либер и др.— М.: Энергоатомиздат, 1992.—432 с.

Рассмотрены режимы работы диодов и тиристоров, разработана методика их выбора для применения в системах преобразовательных установок (устройств). Описаны методы обеспечения надежной работы диодов и тиристоров. Приведены примеры расчетов.

Для специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией полупроводниковых преобразовательных устройств.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Расширение областей применения и увеличение объемов производства силовых полупроводниковых преобразовательных устройств определяют необходимость их постоянного совершенствования, оптимизации параметров и технико-экономических показателей. Одним из важнейших моментов в решении этих вопросов является правильное и рациональное применение силовых полупроводниковых приборов в преобразовательных устройствах. Вид и типономинал силового полупроводникового прибора, выбранные для применения в преобразовательном устройстве, определяют как выбор способов, так и параметры элементов устройств ограничения перенапряжений, ограничения и отключения токов перегрузки, ограничения скоростей нарастания токов и напряжений, деления токов и напряжений при групповом соединении приборов, а также устройств теплоотвода, входящих в состав преобразовательного устройства. Указанные элементы и узлы преобразовательного устройства, как правило, составляют значительную его часть, и, следовательно, выбор силового полупроводникового прибора оказывает существенное влияние не только на надежность работы преобразовательнЬго устройства, но и на его массу, габаритные размеры, стоимость и коэффициент полезного действия.

Опыт разработки и эксплуатации силовых полупроводниковых преобразовательных устройств показывает, что анализу, расчетам и экспериментальным исследованиям режимов и условий работы силовых полупроводниковых приборов в реальных схемах применения следует уделять не меньшее внимание, чем анализу и расчетам электромагнитных процессов, энергетических показателей и внешних характеристик преобразовательных устройств, в которых эти приборы применены. Без проведения на должном уровне и в достаточном объеме этих исследований не может быть однозначно определено и тем более гарантировано надежное функционирование преобразовательного устройства.

В настоящее время уровень знаний о характере протекания электромагнитных процессов в схемах преобразовательных устройств и разработанные методы их расчетов позволяют с достаточной точностью определить условия работы применяемых в схеме полупроводниковых приборов. Иными словами, требования, предъявляемые к силовым полупроводниковым приборам в каждом конкретном случае, могут быть сформулированы достаточно точно и в полном объеме. Качество и возможности силовых полупроводниковых приборов достаточно полно определяются совокупностью параметров и характеристик, приводимых в технических условиях на их поставку и информационных технических материалах, составляемых поставщиком приборов. В связи с этим для обеспечения правильного и эффективного применения силовых полупроводниковых приборов необходимо в каждом конкретном случае правильно решить вопрос сопоставления качества и возможностей прибора с теми требованиями, которые к нему предъявляются. Решению этого важного вопроса, возникающего на стыке двух хорошо изученных областей знания силовой электроники (преобразовательной техники и силового полупроводникового приборостроения), посвящена настоящая книга.

Целью настоящей книги является дать необходимые сведения и рекомендации по применению силовых полупроводниковых приборов, обеспечивающие правильный и целесообразный выбор вида и типономинала прибора для схемы конкретного преобразовательного устройства, надежное выполнение им заданных функций в заданных условиях и достижение требуемых технико-экономических показателей устройства.

В книге рассмотрены вопросы применения силовых полупроводниковых выпрямительных диодов и триодных тиристоров, не проводящих в обратном направлении.

В полной мере учтено следующее:

1) силовые полупроводниковые приборы (СПП) характеризуются предельно допустимыми значениями нагрузочных параметров, превышение которых ведет к отказу СПП или необратимому ухудшению их свойств;

2) значения допустимых нагрузочных параметров могут изменяться в зависимости от сочетания электрических и тепловых воздействий и во многих случаях не могут быть реализованы одновременно;

3) при определении воздействий имеют большое значение электромагнитные процессы, возникающие вследствие инерционности динамических характеристик СПП при коммутации тока и зависящие от наличия распределенных индуктивностей и частичных емкостей в схемах преобразовательных установок; 4
4) характеристики СПП имеют статистический разброс, что существенно при их параллельном и последовательном соединениях.

Материал книги в отличие от известных публикаций позволяет на основании данных, приводимых в технических условиях и информационных материалах на диоды и тиристоры, проводить выбор подвида и типономинала прибора с учетом комплекса требований, предъявляемых к преобразовательному устройству как в части его параметров и характеристик, так и в части его технико-экономических показателей. Изложенная в книге методика представляет собой единую цепь действий, обеспечивающих расчет и выбор приборов в рабочих и аварийных режимах, формулирование требований к элементам и узлам, обеспечивающим управление тиристорами, ограничение электрических и тепловых воздействий на приборы в преобразовательном устройстве, а также расчет и выбор этих элементов и узлов. Кроме того, приведенные сведения по надежности и методам ее определения позволяют рассчитать показатели надежности диодов и тиристоров в схемах преобразовательных устройств.

Материал, изложенный в книге, основан на всестороннем анализе теории и на практике применения силовых полупроводниковых приборов и преобразовательных устройств в СССР и за рубежом. Учтен и обобщен личный опыт работы авторов в данной области техники. Главы 1 и 2 книги написаны В. Е. Либером, гл. 3 и 4 — М. И. Абрамовичем, гл. 5 и 6 (за исключением § 6.6, 6.7) — А. А. Саковичем, гл. 7 — В. М. Бабай-ловым, а гл. 8 и § 6.7 — В. Л. Шпером.

Трагическая смерть вырвала из авторского коллектива В. Е. Либера — замечательного человека и крупного специалиста в области силовой преобразовательной техники. Он был душой нашего коллектива, и появление данной книги является в значительной степени его заслугой. Авторам хотелось бы надеяться, что эта книга послужит данью его светлой памяти.

Книга предназначена для широкого круга инженеров и техников, работающих в области проектирования, изготовления и применения полупроводниковых преобразовательных устройств, а также может быть полезна студентам высших и средних технических учебных заведений в качестве пособия по курсу преобразовательной техники и автоматизации производства.

Авторы

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....... 3

Глава 1. Принцип действия и основные свойства полупроводниковых выпрямительных диодов и триодиых тиристоров, не проводящих в обратном направлении ....6

1.1. Общие положения ..... 6

1.2. Электронно-дырочный переход ... 9

1.3. Силовой полупровЪдниковый выпрямительный диод .... 11

1.4. Силовой триодный тиристор, не проводящий в обратном направлении .... 17

Глава 2. Параметры и характеристики силовых диодов и тиристоров .... 32

2.1. Общие сведения о параметрах и характеристиках СПП .... 32

2.2. Основные параметры силовых диодов и тиристоров ... 34

2.3. Основные тепловые параметры и характеристики диодов и тиристоров ...... 40

2."4. Классификация силовых диодов и тиристоров .. 45

2.5. Условные обозначения силовых полупроводниковых выпрямительных диодов и триодных тиристоров, не проводящих в обратном направлении ..... 49

2.6. Особенности силовых диодов и тиристоров как электротехнических изделий, комплектующих схему силового полупроводникового преобразовательного устройства .. 53

Глава 3. Исходные данные для расчета и выбора диодов я тиристоров и условий их охлаждения ......57

3.1. Режимы и условия работы диодов и тиристоров ....57

3.2. Классификация силовых полупроводниковых преобразовательных устройств .....60

3.3. Особенности расчета и выбора диодов и тиристоров ....63

Глава 4. Расчет и выбор диодов и тиристоров, условий их охлаждения расчет системы управлении тиристорами ....78

4.1. Расчет, и выбор типа СПП и условий его охлаждения по рабочему току ........78

4.2. Выбор класса СПІІ по рабочему напряжению ..97

4.3. Проверка СПП и условий его охлаждения по температуре нагрева рабочим током .......102

4.4. Проверка СПІІ по аварийному току ......116

4.5. Выбор коммутационных параметров СПП ......125

4.6. Определение параметров управляющих импульсов и схемы управления тиристором ........134

4.7. Пример расчета и выбора СПП и условий его охлаждения 147
Глава 5. Методы я средства ограничения воздействий на диоды я тиристоры но току я напряжению в нормальных я аварийных режимах работы 162

5.1. Требования к методам и средствам ограничения электрических воздействий .;.....162

5.2. Выбор вида и расчет элементов для ограничения аварийного тока ..........163

5.3. Ограничение коммутационных перенапряжений на СПП ..167

' 5.4. Ограничение схемных и сетевых перенапряжений, воздействующих на СПП .......190

5.5. Групповое соединение СПП ......215

5.6. Некоторые схемы подключения ограничительных устройств ..235

Глава 6. Методы и средства измерении электрических воздействий на

диоды а тиристоры в схемах преобразовательных установок ..242

6.1. Требования к методам измерений ....242

6.2. Измерение среднего и эффективною тока, проходящего через СПП, и мощности потерь в стационарном режиме ....243

6.3. Измерение мгновенных значений тока в процессе включения и выключения СПП ......247

6.4. Измерение напряжений, воздействующих на СПП ..251

6.5. Контроль параметров сигналов управления тиристоров и измерение температуры СПП .........254

6.6. Современные методы измерения электрических воздействий на диоды и тиристоры .........256

6.7. Погрешности измерения быстроменяющихся токов с помощью

" безындуктивных (малоиндуктивных) шунтов ......265

Глава 7. Охлаждение диодов и гиристоров преобразовательных устройств 269

7.1. Общие технические требования, предъявляемые к охладителям СПП ...........269

7.2. Конструкции охладителей ......274

7.3. Воздушное охлаждение СПП ....279

7.4. Жидкостное охлаждение СПП ......311

7.5. Испарительное погружное охлаждение СПП ....325

Глава 8. Надежность силовых полунроводтжовых прибор«» ..335

8.1. Основные понятия и термины теории надежности ..335

8.2: Показатели надежности СПП и их зависимости от режимов работы ........338

8.3. Методы оценки и контроля ПН СГ1П ..362

8.4. Виды и механизмы отказов СПП ....388

8.5. Методы расчета показателей надежности С'ПП в различных режимах .:.....392

Список литературы .....424