Глава 4

РАСЧЕТ И ВЫБОР ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ, УСЛОВИЙ их ОХЛАЖДЕНИЯ И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ

4.1. РАСЧЕТ И ВЫБОР ТИПА СПП И УСЛОВИЙ ЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПО РАБОЧЕМУ ТОКУ

Выбор вида и подвида СПП. Выбор типа СПП по рабочему току подразумевает определение вида и подвида СПП, а также максимально допустимого среднего прямого тока.

В зависимости от ВАХ рассматриваемые СЙП подразделяют на следуюпие виды: выпрямительные диоды (Д), триодные тиристоры, не проводяпие в обратном направлении (Т), лавинные диоды (ДЛ) и лавинные тиристоры (ТЛ) [3.2].

Виды диодов и тиристоров в зависимости от коммутационных параметров подразделяются на следующие подвиды: диоды быстровосстанавливающиеся (ДЧ), диоды низкочастотные (Д), тиристоры быстродействующие (ТБ) и тиристоры низкочастотные (Т).

При определении вида СПП исходят из того, что диоды применяют в случае, когда требуется выпрямление тока, но не требуется регулирование его или стабилизация. Тиристоры применяют в случае, когда наряду с выпрямителем тока требуется регулирование или стабилизация.

При определении подвида СПП исходя из того, что быстровосстанавливающиеся (частотные) диоды применяют в случае, когда к прибору в первую очередь предъявляют требование малых времени обратного восстановления и заряда восстановления. Например, диод ДЧ171-320 при условиях, оговоренных в информационном материале, имеет время обратного восстановления t„ не более 2,5 мкс, а заряд восстановления Q„ не более 200 мкКл.

Быстровосстанавливающиеся диоды применяют, например, в качестве обратных диодов, подключенных встречно-параллельно к тиристорам или транзисторам, или в качестве диодов, шунтирующих индуктивную нагрузку.

Низкочастотные силовые и лавинные диоды применяют в цепях постоянного и переменного токов частотой до 500 Гц, в которых к диодам не предъявляют особых требований в части времени обратного восстановления и заряда восстановления. Например, диод Д161-320 при классификационных условиях имеет f„25 мкс и g„600 мкКл.

Быстродействующие тиристоры применяют в случае, когда от прибора требуется малое время включения tt и выключения 78

, ц, а также высокая скорость нарастания напряжения в закрытом !; состоянии {dUr>/dt)„it или тока \diT/dt)„i, в открытом состоянии. Например, тиристор ТБ 143-320 при классификационных условиях имеет ?gt2,5 мкс, ?д32 мкс, (dUо/dt)„it 1000 В/мкс и (J/r/Oon.>800 А/мкс.

У быстродействуюпих тиристоров нагрузочная способность по току с ростом частоты снижается значительно меньше, чем у низкочастотных тиристоров.

Низкочастотные силовые и лавинные тиристоры применяют в цепях постоянного и переменного токов частотой до 500 Гц, в которых к тиристорам не предъявляют указанные выше требования в части времен выключения и включения, высоких Скоростей нарастания напряжения и тока. Например, тиристор типа Т171-320 с /j.,p.) = 320 А при условиях, оговоренных в информационном материале, имеет fgt<25 мкс, f 250 мкс, (JiV/J<)„i,>80 А/мкс и {dUoldt)„n до 1000 В/мкс.

Лавинные диоды и тиристоры целесообразно применять f при последовательном соединении СПП.

Тепловые параметры СПП и выбор условий охлаждения. Выбор условий охлаждения СПП подразумевает определение требуемого типа охладителя, а также вида и скорости охла-ждаюпей среды.

Мощность потерь, возникающих при прохождении тока через СПП, вьщеляется в основном в небольшом объеме р-п перехода полупроводниковой структуры. Отсюда тепловой поток, определяемый мощностью потерь, проходит через несколько слоев разнородных материалов: вольфрам или молибден (термокомпенсаторы), серебро или олово (прокладки), медь (токоподводы) и алюминий или медь (охладитель). При этом в СПП имеет место практически одномерный тепловой поток, направленный от полупроводниковой структуры к охладителю, имеющему непосредственный контакт с охлаждающей средой [2.8].

Каждый из указанных слоев оказывает сопротивление -. распространению теплового потока, вследствие чего возникает перепад температуры между переходом и каждым из указанных слоев.

Приняв условно тепловое сопротивление как перепад температуры на единицу греющей мощности, для теплового , сопротивления переход-охлаждающая среда в установившемся тепловом режиме получим следующее выражение [4.1]:

( Rthja = -- - thjc + thch + Rthha, (4-1)

\ "totiAV)

"где Tj-температура перехода; Tf-температура охлаждающей среды; Ptot(av)-полная мощность потерь в приборе

в установившемся режиме; Rtj-установившееся тепловое сопротивление участка переход-корпус СПП; Rj.,,-установившееся тепловое сопротивление участка корпус СПП-контактная поверхность охладителя; Riia-установившееся тепловое сопротивление участка контактная поверхность охладителя-охлаждаюпая среда.

Тепловое сопротивление переход-корпус определяется в основном площадью структуры, качеством контактных соединений и конструкцией корпуса СПП.

Для СПП штыревой конструкции

R,.}c=, (4.2)

г(0((/4и)

где Тс-температура корпуса СПП.

СПП прижимной (таблеточной) конструкции характеризуются тепловыми сопротивлениями переход-анодный вывод корпуса RthjcA и переход-катодный вывод корпуса R,hjcK-> при этом

R.bjcA=~-; (4.3)

RtbjcK-, (4.4)

где PtotiAvyA-мощность потерь (среднее значение), определяющих тепловой поток от структуры к аноду СПП; Рш(ау)к-то же, но от структуры к катоду СПП; Тса-температура корпуса со стороны анода; Тк-температура корпуса со стороны катода.

Полное тепловое сопротивление переход-корпус СПП прижимной конструкции равно результирующему сопротивлению при параллетп>ном соединении сопротивлений

RthjcA и PthjcK-

/г./,с=§. (4-5)

Значения установившихся тенповых сопротивлента СПП без охладителя и с охладителем заданы в информационных материалах, и их используют для определения температуры перехода в длительном установившемся режиме.

Установившиеся тепловые сопротивления не могут быть использованы для определения температуры перехода в кратковременных режимах и длительных режимах с изменяющейся нагрузкой.

Для расчета температур перехода СПП в переходных режимах используют переходные тепловые сопротивления переход-корпус Ztjc или переход-среда Zf,itja> зависимости 80