🗊Презентация Полупроводниковые электрические аппараты

Полупроводниковые электрические аппараты Лектор: проф. д.т.н. Фролов Владимир Яковлевич

Выключатели переменного тока

Основные разделы курса Параметры и характеристики полупроводниковых приборов. Коммутационные характеристики электронных аппаратов переменного и постоянного тока Комбинированные контактно-электронные аппараты Системы управления электронными и комбинированными аппаратами

Литература Полупроводниковые электрические аппараты: Учебное пособие для вузов/Г.А.Кукеков, К.Н.Васерина, В.П.Лунин. – Л.: Энерглатомиздат. 1991г. Электрические электронные аппараты: Учеб. Для вузов /Под ред. Ю.К. Розонова/, М.: Энергоатомиздат, 1998г.

Полупроводниковые ключи

Преимущества ПА Два устойчивых состояния: проводящее и непроводящее Быстрый переход из одного состояния в другой по команде Бездуговая коммутация электрических цепей Повышенный срок службы аппаратов с коммутацией номинального тока более 107 раз Отсутствие подвижных частей (контактов), приводных устройств и механизмов Отсутствие эрозии, шума, выбросов газа Многофункциональность, частота коммутаций

Недостатки ПА Выдерживают меньшие перегрузки по току Чувствительны к перенапряжениям Значительные потери полупроводниковых приборов во включенном состоянии Значительный рост стоимости с увеличением номинальных значений тока и напряжения

Классификация ПА

Области применения ПА

Области применения полупроводниковой элементной базы в зависимости от частоты

Энергетические показатели качества электромагнитных процессов Коэффициент преобразования (транспортирования) эл. энергии: КU = Uвых /Uвх, Кi = Iвых /Iвх Коэффициент искажения тока и напряжения: i = I(1) /I, где I(1) – действующее значение первой гармоники тока Коэффициент сдвига тока отн. напряжения по 1-й гармонике: cos P(1) / ЦР2(1) +Q2(1)) Коэффициент мощности:  P/S = [EI(1) cos EI = i cos  Коэффициент полезного действия: Рвых /Рвх Энергетический коэффициент полезного действия: э = Рвых /Sвх =  Удельные потери мощности: q = (Pвх – Рвых)/ S 

Характеристики и параметры полупроводниковых приборов

Полевые транзисторы с изолированным затвором - MOSFET

Комбинированный транзистор, конструктивно объединяющий полевой транзистор на входе и биполярный транзистор на выходе. Называется: биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)

Схематический разрез структуры IGBT

Транзисторы IGBT 4-го поколения коммутируют цепи с напряжением 4500 В и током до 1800 А, время выключения от 0,2 мкс до 1,5 мкс

Принципиальная схема драйвера для управления IGBT

Температурная зависимость IGBT

Технологическая схема IGBT

Модуль прижимной

IGBT - модули IGBT в настоящее время выпускаются в модульном исполнении в прямоугольных корпусах или таблеточном исполнении IGBT – модуль по внутренней схеме может быть единичный, два модуля, соединенных последовательно; прерыватель; однофазный или трехфазный мост и т.д., однако во всех случаях имеется обратный диод

Модули IGBT

Параллельное соединение IGBT

Трехфазный мост

Выключатель переменного тока

Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной частоты (с выходом на постоянном токе)

Тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор, находящийся в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом

Работа тиристора определяется вольт - амперной характеристикой

Тепловые параметры тиристоров Температура – основной критерий работоспособности СПП и стабильности характеристик в течении всего срока службы; Минимальная температура – 40…50 0С; Максимальная рабочая температура + 125…190 0С; Эквивалентная температура – усредненная по площади стр.; Установившееся тепловое состояние: TJ – Tc = PеRB Tc – температура корпуса, Ре- суммарные потери мощности, RB – внутреннее установившееся тепловое сопротивление: RB = (TJ - Tc )/ Pе С учетом охладителя (радиатора) общее тепл. сопротивление: RT = RB + Rc – 0 + R0 – a Rc – 0 – тепловое сопротивление между охладителем и СПП, R0 – a – тепловое сопротивление между охладителем и окружающей ср.

Переходное тепловое сопротивление: Переходное тепловое сопротивление: ZT = [TJ (t) – Ta]/ Pmax, TJ (t) – мгновенная температура структуры СПП; Внутреннее переходное сопротивление: ZВ = [TJ (t) – TС ]/ Pmax

Параметры СПП (характеризуются статическими и динамическими параметрами)

ID – ток утечки, протекающий через СПП при приложении прямого напряжения (t – max); ID – ток утечки, протекающий через СПП при приложении прямого напряжения (t – max); IL – ток включения, это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания СПП в открытом состоянии после снятия имп. управления; IR – обратный ток; IH – ток удержания тиристора в открытом состоянии при разомкнутой системе управления; U(BO) – напряжение переключения, это то напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние при разомкнутой цепи управления (t – max); U(BR) – максимальное обратное импульсное напряжение, соотв. загибу обратной характеристики СПП (соответствует допустимому обратному значению тока) (t – max); UП – повторяющееся импульсное напряжение, это наибольшее мгновенное напряжение, которое прикладывается к прибору в закрытом состоянии в любом направлении. Этот параметр определяет класс прибора (UП /100)

UDSM – неповторяющееся напряжение это наибольшее мгновенное переходное напряжение, прикладываемое к прибору в закрытом состоянии; UDSM – неповторяющееся напряжение это наибольшее мгновенное переходное напряжение, прикладываемое к прибору в закрытом состоянии; UDWM – рекомендуемое рабочее напряжение, это амплитудное значение синусоидальной формы напряжения, прикладываемого к тиристору в прямом и обратном направлении при отсутствии повторяющихся напряжений; UTM – прямое падение напряжения, это мгновенное значение напряжение на тиристоре при прохождении прямого тока; IП = IA – амплитудное значение прямого тока

Эксплуатационные параметры для тока: Iр. п.- ток рабочей перегрузки, это ток перегрузки, протекающий через прибор, непосредственно действующий после тока, меньшего предельного, длительное протекание которого может вызвать превышение допустимой температуры структуры СПП, но ограничен во времени и перегрев структуры не происходит. После протекания этого тока допускается приложение обратного напряжения.

Iа. п. – ток аварийной перегрузки, это ток протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, поэтому допускается лишь ограниченное число коммутаций такого тока за весь срок службы СПП. Прибор может кратковременно утратить запирающую способность, поэтому допускается приложение обратного напряжения 80% от Uп Iа. п. – ток аварийной перегрузки, это ток протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, поэтому допускается лишь ограниченное число коммутаций такого тока за весь срок службы СПП. Прибор может кратковременно утратить запирающую способность, поэтому допускается приложение обратного напряжения 80% от Uп

Характеристики управления - определяются свойствами прилегающих к переходу П3 слоев Из-за разброса вольт - амперных характеристик устанавливают диаграмму управления:

Динамические характеристики тиристоров t g – время включения (от момента подачи импульса управления до снижения анодного напряжения – 10%U a ): t g = t gd + t gr t g d – время задержки включения тиристора, t g r – время снижения напряжения до 10%U a

t q – время выключения (от момента перехода тока через нуль до восстановления запирающих свойств тиристора) t q – время выключения (от момента перехода тока через нуль до восстановления запирающих свойств тиристора)

Электрические потери при работе тиристора

Примеры типов тиристоров ТБИС-800-14 (tq = 6.3-12.5 мкс; di/dt = 1600 A/мкс; dU/dt = 1000 B/мкс) – 190 Е Т173-3200-10 (di/dt=400 A/мкс; dU/dt=1000 B/мкс) Т753-500-60 (tq = 500-600 мкс; di/dt = 630 A/мкс; dU/dt = 1000 B/мкс) ТБИ 273-2000-22 (tq = 22-50 мкс; di/dt=1600 A/мкс; dU/dt = 1000 B/мкс) – 390 Е ТБИ 153-400-11 (di/dt=1600 A/мкс; dU/dt = 1000 B/мкс) – 62 Е диаметр – «3» - 32 мм, «4» - 40 мм, «5» - 56 мм, «7» - 80 мм

Аппараты НН ПЭА постоянного тока

Диаграмма схемы с искусственной коммутацией

Выключатель постоянного тока

Диаграмма работы ВПТ

Определение минимальной емкости конденсатора

Выключатель с двухступенчатой коммутацией

Диаграмма двухступенчатой коммутации

Выключатели переменного тока

Контактор переменного тока

Выключатель с фазовым регулированием тока

Комбинированные (гибридные) аппараты

Гибридный контактор

Параллельное соединение СПП

Индуктивный делитель тока

Влияние температуры на пере – распределение тока

Защита СПП от перенапряжений

Полупроводниковые аппараты высокого напряжения

Последовательное соединение СПП

Восстановление запирающей способности послед. соединенных тиристоров

Системы управления тиристорами Амплитуда тока и напряжения, Длительность импульса, Скорость нарастания тока управления

Формирователи импульсов управления Прямоугольный, Трапецеидальный, Треугольный, экспоненциальный

Управление последовательно соединенной группой тиристоров

Одновременное управление большой группой тиристоров

Одновременное управление большой группой тиристоров

Способы управления высоковольтными выключателями

Контроль состояния тиристоров

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ – в выпрямительном и инверторном режимах с естественной коммутацией, обеспечивающие передачу энергии в обоих направлениях и связывающие цепь переменного тока с цепью постоянного тока – преимущественно в инверторном режиме с принудительной коммутацией, связывающие цепь постоянного тока с цепью переменного тока; – в режимах переключения постоянного тока с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока; – в режимах прерывания переменного тока с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной частоты; – в режимах преобразования частоты с естественной и принудительной коммутацией (непосредственный преобразователь частоты), связывающие цепи переменного тока с разной частотой; – комбинированные режимы, обусловленные комбинацией различных преобразователей (преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, преобразователи постоянного тока с промежуточным высокочастотным звеном).

Инверторы тока - преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной частотой и амплитудой выходного напряжения

Транзисторный инвертор напряжения

Транзисторный инвертор напряжения с выходом на постоянном токе

Среднее значение выходного напряжения выпрямителя и тока нагрузки

Трехфазное реле тока

Реле тока с выдержкой времени

Реле минимального напряжения