Обеспечение надежности работы тиристоров

Высокая надежность тиристорных преобразователей частоты может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии ее проектирования, изготовления и эксплуатации следующих специфических особенностей тиристоров:

- разброса значений параметров, их зависимости от режима и условий работы;

- изменения значений параметров в течение времени хранения или работы;

- необходимости хорошего отвода тепла от корпусов приборов;

- необходимости обеспечения запасов по электрическим, механическим и другим нагрузкам на приборы;

- необходимости принятия мер, обеспечивающих отсутствие перегрузок приборов во время их монтажа и сборки в составе тиристорных преобразователей частоты.

Время, в течение которого тиристоры могут работать в ТПЧ (их срок службы), практически неограничено. Нормативно-техническая документация на поставку приборов (ГОСТ, ТУ), как правило, гарантирует минимальную наработку не менее 15000 ч, а в облегченных режимах и условиях эксплуатации – до 80 000 ч. Однако теория и эксперименты показывают, что и через 50 – 80 тысяч часов работы возрастание интенсивности отказов не наблюдается.

Для характеристики уровня надежности тиристоров используются такие показатели, как гамма-процентный ресурс, минимальная наработка (гарантийная наработка), интенсивность отказов, определяемые при специальных испытаниях. Нормы на эти показатели устанавливаются в ТУ на приборы или в информационных материалах.

Для расчета надежности тиристоров следует использовать количественные показатели надежности, установленные в информационных материалах, или показатели, получаемые при обработке статистических данных различных испытаний и эксплуатации тиристоров.

Экспериментально установлено, что интенсивность (вероятность) отказов тиристоров уменьшается при снижении рабочей температуры переходов, напряжения на электродах и тока. Снижение рабочей температуры уменьшает практически отказы всех видов: короткие замыкания, обрывы и значительные изменения параметров. Снижение напряжения уменьшает число отказов тиристоров с высоковольтными переходами. Снижение рабочего тока приводит главным образом к меньшим деградациям контактных соединений и токоведущих металлизаций на кристаллах.

Приближенная зависимость интенсивности отказов от нагрузки приведена на рис.43.5. Интенсивность отказов l_max может быть взята из результатов испытаний при максимальной нагрузке.

Таким образом, для повышения надежности работы тиристоров в инверторе необходимо снижать главным образом температуру полупроводниковой структуры за счет снижения температуры корпуса или улучшения условий охлаждения, необходимо также снижать рабочие напряжения и токи, которые должны быть меньше предельно допустимых.

Рекомендуется устанавливать напряжения и токи (мощность) на уровне 0,7 – 0,8 предельных (максимальных значений).

Для большинства силовых тиристоров запас по напряжению в системе параметров выражен в рекомендуемом рабочем напряжении, которое в большинстве случае равно 0,8 повторяющегося.

Надежность тиристоров в значительной степени зависит и от правильности выбора режима цепи управления. Как правило, амплитуда и длительность сигнала управления ограничивается сверху и снизу рядом требований. Основной характеристикой цепи управления является диаграмма управления для постоянного или импульсного управляющего тока. На диаграмму управления постоянного тока наносятся также значения отпирающего и неотпирающего напряжения и тока управления при различных температурах перехода (рис.43.6). Обычно эта диаграмма используется для расчета цепей управления тиристором в случае его работы в цепях постоянного тока малой мощности или при малом значении скорости нарастания тока анода. Она служит также для определения характеристик помехоустойчивости тиристора.

При импульсном управлении используются зависимости допустимой мощности потерь и амплитуды тока управления от длительности отпирающего импульса (рис.43.7).

Надежное отпирание приборов, независимо от разброса параметров управления, можно осуществить в том случае, если ток и напряжение управления будут выше I_{у.пр min} и U_{у.пр min} или выше тех значений, которые ограничены заштрихованной областью на диаграмме управления (рис.43.7). С другой стороны, ток и напряжение управления не должны превышать некоторых предельно допустимых значений I_{у.пр min} и U_{у.пр min}. Кроме того, мощность, выделяемая в промежутке управляющий электрод-катод, ограничивается максимально допустимым значением Р_{у max}. Вместе с тем тиристор не должен включаться сигналом помех.

Диаграмма импульсного управления служит для определения параметров выходного каскада генератора импульсов управления.

Наличие большого разброса параметров цепи управления не позволяет распространить результаты расчета или экспериментального определения тока и напряжения одного тиристора на другие экземпляры тиристоров. Поэтому расчет этих параметров проводят определением внутреннего сопротивления генератора импульсов управления и построением линии нагрузки на диаграмме управления (рис.43.8).

По существу, линией нагрузки на диаграмме управления будет линия, образованная внутренним сопротивлением генератора, отсекающая на оси абсцисс отрезок, численно равный току короткого замыкания генератора (I_к.з), и на оси ординат – отрезок, численно равный напряжению холостого хода (U_х.х).

Линия нагрузки генератора импульсов управления, построенная по результатам расчета, не должна проходить ниже точки пересечения линий, соответствующих значениям и С другой стороны, линия нагрузки не должна пересекать линии допустимой мощности потерь при данной длительности импульса и скважности, а может лишь касаться ее (точка А на рис.43.7). Если длительность импульса тока управления меньше указанных на рис.43.7, тогда допустимое значение тока управления определяют с помощью зависимости, приведенной на рис.43.8, с учетом температурных условий эксплуатации приборов. На этих зависимостях по оси ординат обычно откладываются значения отпирающего тока импульса управления в относительных единицах (или в процентах) к отпирающему постоянному току.

Помимо перечисленных требований к импульсу управления, генератор управляющих импульсов должен обеспечить значение скорости нарастания тока управления не ниже заданной. Это необходимо для уменьшения потерь при включении тиристора, а также для уменьшения разброса значений времени включения при групповом соединении приборов. Параметр di_у/dt является особенно важным для импульсных и высокочастотных тиристоров, работающих при больших скоростях нарастания тока в цепи анода.

При проектировании и эксплуатации источников питания с использованием тиристоров следует учитывать, что включение тирстора током управления меньше минимально допустимого (током помехи) может стать причиной выхода его из строя из-за прохождения тока в узкой локальной зоне структуры тиристора. Для тиристоров с большим прямым током и высокой скоростью его нарастания даже однократное включение током помехи может привести к полному отказу тиристора.

Различного рода перенапряжения и воздействие напряжения на аноде со скоростью нарастания выше допустимого значения могут являться также причинами отказов тиристоров, так как для многих групп этих приборов недопустимо даже единичное их переключение на большой прямой ток по цепи анода.

При проектировании схем выключения тиристора необходимо учитывать зависимости времени выключения от режима эксплуатации тиристоров, приводимых в справочниках. При этом рассчитанное время выключения схемы должно быть выше норм, указанных в справочных зависимостях, с учетом наихудших условий эксплуатации.

При воздействии различных факторов (температуры, влаги, химических, механических и других воздействий) параметры, характеристики и некоторые свойства полупроводниковых приборов могут изменяться. Для защиты структур полупроводниковых приборов от внешних воздействий служат корпусы приборов. Корпусы приборов одновременно обеспечивают необходимые условия отвода тепла, оптимальное соединение электродов приборов со схемой.

Необходимо иметь в виду, что корпусы отдельных типов приборов имеют ограничения по коррозийной устойчивости, поэтому при эксплуатации приборов в условиях повышенной влажности рекомендуется покрывать их специальными лаками.

Обеспечение отвода тепла от мощных полупроводниковых приборов является одной из главных задач обеспечения надежности тиристоров при конструировании аппаратуры. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпусов приборов. Для охлаждения тиристоров используются теплоотводные радиаторы, работающие в условиях естественного охлаждения или с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением. В этом случае контактная поверхность радиатора должна иметь шероховатость и неплоско-параллельность не хуже указанных в справочнике или в стандартах по расчету охладителей. Крепление приборов к радиатору должно обеспечивать надежный тепловой контакт.

При естественном охлаждении отвод тепла улучшается, если активные поверхности радиатора расположены вертикально, так как в этом случае лучше условия конвекции.

В условиях принудительного воздушного охлаждения ось прибора должна быть перпендикулярная, а ребра охладителя параллельны направлению потока охлаждающего воздуха.

При сборке диодов или тиристоров с радиатором необходимо использовать специальные ключи с нормированным усилием крутящего момента, а для приборов таблеточной конструкции – устройства с нормированным снижающим усилием. Следует учитывать также, что превышение допустимых усилий создает дополнительные механические напряжения в кристалле полупроводникового элемента и может вызвать его разрушение. При недостаточном усилии увеличивается тепловое сопротивление корпус-охладитель, в результате чего возможен выход прибора из строя вследствие его перегрева.

Для улучшения теплового контакта «тиристор(диод)-охладитель» следует применять специальные теплопроводящие пасты, например КПТ-8.

В процессе эксплуатации тиристоры необходимо периодически очищать от пыли или других загрязнений.

В процессе подготовки и проведения монтажа полупроводниковых приборов в инверторы механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ.

При рихтовке, формовке и обрезании выводов участок вывода около корпуса должен быть закреплен так, чтобы не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Паяльники, применяемые для пайки выводов, должны быть низковольтными. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки должно быть не менее расстояния, указанного в ТУ. Очистка мест пайки от флюса производится жидкостями, которые не влияют на покрытие, маркировку или материал корпуса (например, спирто-бензиновой смесью).