Предельные режимы по току в открытом состоянии тиристора

Большая часть приведенных в справочнике тиристоров может обеспечить максимально возможный ток лишь при наличии охладителей и заданных условий охлаждения.

При известных тепловых параметрах охладителя допустимый средний ток в установившемся режиме работы и заданных условиях охлаждения у силовых низкочастотных тиристоров может быть рассчитан по формуле

, (43.1)

где U_пор – пороговое напряжение; К_ф – коэффициент формы тока, равный отношению действующего тока к среднему (табл.43.1); – максимально допустимая температура перехода; Т_с – температура охлаждающей среды; r_дин ‑ динамическое сопротивление в открытом состоянии тиристора; – установившееся тепловое сопротивление переход-среда; R_Т(п-к), R_Т(к-о) и R_Т(о-с) – установившиеся тепловые сопротивления переход-корпус, корпус-охладитель и охладитель-среда соответственно.

Таблица 43.1

П р и м е ч а н и е. К_а – коэффициент амплитуды, равный отношению амплитудного значения тока к среднему

Расчетная формула (43.1) справедлива для углов проводимости b ≥ 30 эл.град. и частоты менее 500 Гц. При f ≥ 500 Гц расчетное значение тока должно быть снижено в соответствии с зависимостями допустимого тока от частоты приведенными в справочнике.

При оценке правильности применения тиристоров часто бывает необходимо определить допустимый средний ток в открытом состоянии при заданной (измеренной) температуре корпуса прибора. Величина этого тока может быть определена по формуле (43.1) при замене в ней Т_с на Т_к, а R_Т(п-с) на R_Т(п-к).

При конструировании аппаратуры часто приходится решать обратную задачу, то есть определять тепловые параметры охладителя при заданных значениях допустимого среднего тока и условий охлаждения. В этом случае тепловое сопротивление охладитель-среда рассчитывается по формуле

, (43.2)

где Р_ос.ср = U_порI_ос.ср + .

Величины R_Т(п-к), Т_п, U_пор, r_дин, К_ф приведены в справочниках по полуроводниковым приборам, а R_Т(к-о) << R_Т(о-с) и при расчете им можно пренебречь.

Для высокочастотных тиристоров при работе на частотах выше 500 Гц значение Р_ос.ср определяют по формуле

Р_ос.ср = Е_ср f, (43.3)

где Е_ср – сумма всех средних энергий потерь в тиристоре (см. зависимости I_{ос, и} = f (t_и, Е_ср); f – частота повторения импульсов.

Перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора по току является зависимость максимально допустимого тока, протекающего через прибор, от времени его протекания.

Существуют три показателя оценки перегрузочной способности тиристоров по току:

1) ударный ток в открытом состоянии;

2) защитный показатель ( или );

3) ток перегрузки в открытом состоянии (ток рабочей перегрузки).

Значения ударного тока и без последующего или с последующим приложением обратного напряжения служат для выбора защитных устройств и характеризуют термодинамическую стойкость прибора при кратковременных (1 – 100 мс) перегрузках. Устройства защиты должны ограничивать время протекания тока перегрузки в соответствии с зависимостями, приведенными в справочнике. В противном случае может произойти отказ прибора из-за значительного превышения максимально допустимой температуры структуры и предела термодинамической стойкости элементов его конструкции.

Оценка защищенности прибора с помощью характеристики производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства (например, плавкого предохранителя). Во всех случаях прибора должен быть больше устройства защиты.

При частом воздействии ударного тока срок службы полупроводникового прибора будет снижаться. Поэтому такие воздействия тока допускаются лишь ограниченное число раз за весь срок службы.

Для тока перегрузки в открытом состоянии (тока рабочей перегрузки) число циклов перегрузки не ограничивается. В этом случае допустимое значение тока перегрузки зависит от предварительного режима нагрузки, длительности импульса перегрузки, применяемого охладителя и условий охлаждения. Ток перегрузки для каждого конкретного случая может быть рассчитан по формулам:

, (43.4)

где ;

; U_пор – пороговое напряжение при Т_{п max}, В; Т_{п max} – максимально допустимая температура перехода, ^оС; r_дин – дифференциальное сопротивление при Т_{п max}, Ом; Т_п = Т_с + Р_ос.ср R_Т(п-с) – нагрев перехода током предварительной нагрузки, ^оС; Т_с – температура окружающей среды, ^оС; Р_ос.ср – средняя рассеиваемая мощность в открытом состоянии, обусловленная током предварительной нагрузки [см. рис. 43.2], Вт; Z_Т(п-с) = Z_Т(п-к) + Z_Т(о-с) + Z_Т(к-о) – переходное тепловое сопротивление переход-среда, соответствующее длительности импульса перегрузки, ^оС/Вт; , и – переходные тепловые сопротивления, соответствующие отрезкам времени 26, 20 и 6 мс, ^оС/Вт; Z_Т(о-с) – переходное тепловое сопротивление охладитель-среда при соответствующей длительности перегрузки, ^оС/Вт.

Формула (43.4) может быть использована для расчета семейства зависимостей перегрузочных характеристик от длительности импульса перегрузки.

Подобные зависимости в качестве примера для тиристора ТЛ171-320 приведены на рис.43.2.

Рис.43.2. Перегрузочные характеристики от длительности

импульса перегрузки