8. Групповое соединение полупроводниковых приборов

8.1. Неравномерности распределения нагрузки при групповом соединении

Последовательное и параллельное соединение приборов, применяемое для увеличения допустимых значений тока и напряжения в одной ветви мощного преобразователя или аппарата, называется групповым соединением. Групповое соединение иногда применяется также для повышения надежности преобразователей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен нарушать работы всей установки.

Из-за технологического разброса вольт-амперных характеристик при параллельном соединении отдельные приборы перегружаются по току, а при последовательном – по напряжению. При парал­лельном соединении, например, двух диодов (рис. 8.1, а) через диод VD1, имеющий более крутую прямую ветвь ВАХ (меньшее динамическое сопротивление r_Т), при общем прямом напряжении u_F протекает ток i₁, больший, чем ток i₂ диода VD2 с пологой прямой ветвью ВАХ. В случае последовательного соединения ди­одов VD1 и VD2 (рис. 8.1, б), имеющих разброс обратных ветвей ВАХ, при приложении обратного напряжения u_R по цепи диодов протекает общий обратный ток i_R. К диоду VD1 с более пологой обратной характеристикой приложена большая доля общего об­ратного напряжения u_R, равная u_R1. Увеличение разброса харак­теристик ухудшает работу диодов при групповом соединении.

Условия работы еще более ухудшаются при групповом соединении тиристоров, В динамических режимах приложения прямого напряже­ния из-за разброса времени восстановления запирающей способности к тиристору с меньшим временем может прикладываться полное на­пряжение всей цепи, и тиристор может самопроизвольно включаться. При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток главной цепи и может выйти из строя из-за теплового пробоя.

Для обеспечения надежной работы полупроводниковых приборов при групповом соединении, как правило, должны применяться меры для равномерного распределения тока при параллельном и напряже­ния при последовательном соединениях.

а б

Рис 8.1. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) соединений диодов

и соответствующие им графики неравномерности распределения

прямого тока и обрат­ного напряжения

8.2. Параллельное соединение полупроводниковых приборов

При параллельном соединении необхо­димо обеспечивать равномерное распределение прямого тока в стати­ческом и переходных режимах. Эта задача достаточно просто реша­ется в диодных схемах, поскольку характеристики приборов имеют не слишком большой разброс. Значительно сложнее решить ее при ис­пользовании транзисторов и тиристоров.

Используются два пути выравнивания тока при параллельном со­единении: подбор приборов одного типа с одинаковыми характерис­тиками и принудительное деление тока с помощью дополнительных электротехнических устройств.

Процентное выражение недоиспользования нагрузочной способ­ности силовых полупроводниковых приборов (СПП) при параллельном соединении из-за неравномерности деления тока определяется по формуле

, (8.1)

где I – результирующий прямой ток параллельного соединения;

a – число параллель­ных приборов;

– максимально допустимый ток одного прибора.

Из выражения (8.1) можно получить максимально допустимый ток прибора при заданной неравномерности деления тока:

. (8.2)

Обычно допускается недоиспользование нагрузочной способности не более 101%. При этом в тяговых преобразователях применяют способ подбора приборов с разбросом напряжения не более 0,02 В.

Чем меньше допустимый процент снижения нагрузочной способ­ности, тем дороже установка, так как подбор приборов с идентичны­ми характеристиками очень трудоемок. Увеличение допустимой не­равномерности приводит к чрезмерному завышению установленной мощности приборов в групповом соединении. Поэтому часто вместо подбора приборов прибегают к принудительному делению тока.

Если разброс значений тока не должен превосходить 10 %, то следует использовать внешние делители тока. Могут использоваться активные и индуктивные делители.

Применение активных делителей (рис. 8.2, а) эффективно, но мощность, выделяющаяся в них, может быть значительной. На­пример, при I_F = 190 А, х1= 10 %, I_F1 = 100 А, I_F2 = 90 А, U_F1 = 1,6 В, U_F2 = 1,7 В уравнение равновесия в цепи имеет вид u + 100 R = 1,7 + 90 R, откуда R = 0,01 Ом. Мощность потерь в резисторах Р_R = 0,01 (1002 + 902) = 181 Вт.

Поэтому в мощных преобразователях больше распространен спо­соб деления тока индуктивными делителями. Как правило, индуктив­ный делитель представляет собой тороидальный магнитопровод, сквозь окно которого пропущены токоведущие шины таким образом, чтобы МДС, создаваемые токами I_F1 и I_F2 (рис. 8.2, б), действовали встречно. В подавляющем большинстве случаев применяют одновитковые делители – наиболее простые по своей конструкции.

Если токи I_F1 и I_F2 равны, то результирующий магнитный поток в сердечнике равен нулю, и учитывается только активное сопротивление. Если же токи различны, то возникает нескомпенсированный магнитный поток, вызывающий компенсирующую ЭДС в обмотках дросселя, приводящую к выравниванию токов. В индуктивных делителях поте­ри незначительны, но усложнена конструкция преобразователя.

а б

Рис 8.2. Схемы выравнивания прямых токов при параллельном включении полу­проводниковых приборов

Индуктивные делители при числе параллельных приборов более двух могут включаться по разным схемам: в замкнутую цепь, с задающим прибором, с общим витком.

С учетом того что способ подбора приборов трудоемок, активные делители не экономичны, а индуктивные громоздки. При конструиро­вании преобразователя задачу деления тока решают на основе техни­ко-экономического обоснования для конкретных условий.