Максимальные токи и блокирующие напряжения выпускаемых СПП ограничены и часто однотипные СПП приходится соединять в группы для увеличения мощности разрабатываемого оборудования.
Основные типы соединений:
- Параллельное — используется при необходимости увеличения максимального тока;
- Последовательное — используется при необходимости увеличения максимального блокирующего напряжения;
- Смешанное — параллельное + последовательное.
Соединяя тиристоры или диоды параллельно, необходимо стремиться к равному распределению тока нагрузки по приборам. Нужно обеспечить идентичность условий работы СПП и равенство вольтамперных характеристик, учитывая технологический разброс параметров.
Для решения этой задачи необходимо следующее:
- Последовательно с каждым полупроводниковым прибором устанавливать индуктивные или омические делители тока;
- Осуществлять подбор полупроводниковых приборов по статическим потерям в рабочей точке (по значению U tm /U fm на рабочем токе). Следует заметить, что всегда существует определенный технологический разброс параметров СПП;
- При проектировании преобразователей, имеющих параллельное соединение полупроводниковых приборов, рекомендуется выбирать рабочие токи, находящиеся выше точки инверсии вольтамперной характеристики СПП. В этом случае выравнивание токов в параллельных ветвях будет происходить автоматически, так как в области ВАХ, лежащей выше точки инверсии, действует отрицательная обратная связь, то есть при увеличении температуры р-n перехода увеличивается его сопротивление и уменьшается прямой ток, что приводит к снижению температуры р-n перехода;
- Для минимизации влияния времени включения отдельных тиристоров и — как следствие — неравномерного распределения тока по ветвям в первоначальный момент времени, необходимо применять мощные импульсы управления с крутым фронтом, что приводит к уменьшению времени задержки включения тиристора и минимизации влияния этого эффекта на распределение тока по параллельным ветвям;
- В схемах, где применяются мощные высоковольтные тиристоры; тиристоры, выполненные на кристаллах больших диаметров (более 56 мм), а также при наличии больших индуктивностей в силовой части, которые ограничивают скорость изменения силового тока, необходимо дополнительно учитывать время распространения включенного состояния тиристора. Это связанно с тем, что мощные тиристоры в первоначальный момент времени включаются в ограниченной области вблизи управляющего электрода, после этого за ограниченное время происходит продольное распространение включенного состояния;
- Конструктивное расположение параллельных ветвей должно обеспечивать равенство сопротивлений токоведущих шин, включая предохранители;
- Для всех приборов, входящих в параллельное соединение, условия охлаждения должны быть одинаковы.
Соединяя тиристоры или диоды последовательно, необходимо стремиться к равному распределению блокирующего (прямого и(или) обратного) напряжения как в стационарном состоянии, так и в динамических режимах, а именно — при включении тиристоров и при восстановлении блокирующих свойств во время выключения тиристора или диода.
Причины неравномерного распределения блокирующих напряжений:
- Различия утечек в последовательно соединенных приборах вследствие естественного технологического разброса и (или) различных рабочих температур вследствие, например, различных условий охлаждения (к сведению: в среднем изменение температуры на 8°С приводит к изменению утечек в два раза). Перенапряжение возникает на приборах, имеющих меньшее значение тока утечки;
- Разброс времени включения отдельных тиристоров, соединенных последовательно в ветви, ведет к перераспределению напряжения между включившимися ранее и включающимися с запозданием тиристорами. Перенапряжение возникает на тиристорах, включающихся с опозданием;
- Разброс величин заряда обратного восстановления в последовательно соединенных приборах приводит к тому, что в момент восстановления такие приборы принимают обратное напряжение в различное время. Перенапряжение возникает на тиристорах, имеющих меньший заряд обратного восстановления.
Способы выравнивания распределения блокирующих напряжений:
- Для снижения влияния неравномерности токов утечки последовательно включенных СПП используют включение шунтирующих высокоомных резисторов параллельно каждому полупроводниковому прибору (диоду или тиристору). Чем выше требование к выравниванию напряжения в этом режиме, тем меньше должны быть значения шунтирующих резисторов;
- Для уменьшения неравномерности распределения блокирующих напряжений, которое возникает из-за разброса значений зарядов обратного восстановления СПП, применяются снабберные RC-цепи, включенные параллельно каждому полупроводниковому прибору. Чем больше значение снабберной емкости, включенной параллельно прибору, тем меньше неравномерности распределения блокирующих напряжений. Однако увеличение емкости — это не всегда рациональный способ, поэтому необходимо подбирать приборы для последовательного соединения по заряду обратного восстановления. Как правило, разброс зарядов принимают равным 5% или 10%.
- Для уменьшения разброса времени включения СПП применяют мощные импульсы управления с крутым фронтом, что приводит к уменьшению времени задержки включения тиристора и минимизации влияния этого эффекта на распределение напряжения. Наличие снабберных RC-цепей параллельно каждому прибору оказывает положительное воздействие, так как до момента включения к тиристорам прикладывалось некоторое прямое напряжение, до которого также были заряжены снабберные конденсаторы. Это напряжение в первый момент времени после включения тиристора прикладывается к нему и обеспечивает равномерность распределения напряжения.
Большой спектр мощных преобразователей содержат в себе СПП, включенные параллельно и (или) последовательно. При их проектировании, обслуживании и ремонте важно учитывать вышеназванные требования и особенности групповых включений приборов. Это позволит максимально использовать ресурс СПП, разрабатывать и изготавливать надежное и долговечное оборудование.
