Критерии и оценка тиристоров

Для сравнения различных схем генераторов, а также для выбора оптимальных режимов работы каждой из них целесообразно ввести ряд критериев, позволяющих оценить достоинства указанных схем и режимов. Ряд таких критериев предлагается в различных работах, например.

Критерии оценки могут быть разбиты на две группы.

К первой группе относятся критерии, которые являются универсальными для выбора схемы или режима работы тиристорных устройств любого типа; ко второй — критерии, пригодные не для всех схем и режимов работы, а только для ограниченного числа случаев использования тиристорных устройств со специфическими требованиями.

В первую группу входят критерии, позволяющие оценить использование тиристоров по мощности и частоте, КПД схемы, крутизне нарастания тока и напряжения тиристоров; во вторую — критерии, оценивающие влияние изменения нагрузки и генерируемой частоты на режим работы схемы, и коэффициент гармоник выходного напряжения. Ниже рассмотрены обе группы указанных критериев.

1. Для оценки энергетического использования тиристоров в схемах генераторов и усилителей можно ввести критерий, позволяющий определить относительные значения полезной мощности, отдаваемой тиристором во внешнюю цепь (нагрузку), считая ограничивающими факторами заданные допустимые значения I amд и Uа.д тиристоров.

В качестве эталонной принимается полезная мощность, теоретически предельно достижимая с помощью тиристора при заданных значениях Iamд и Uа.д. Она получается при прямоугольных формах напряжения и тока и скважности импульсов тока q, равной двум (рис. 1-1). Последнее утверждение не очевидно, но может быть легко доказано.

Мощность Р_~, отдаваемая тиристором во внешнюю цепь, равная разности мощности Р₀ отдаваемой источником питания Е₀, и мощности потерь на аноде тиристора Р_а, легко может быть определена с помощью выражения

Р_~=Р₀ -Р_а=Е₀I_amдt_и / Т-U_amin I_amдt_и / Т (1-1)

где t_и—длительность импульса тока через тиристор; Т — период генерируемых колебаний; U_amin — минимальное остаточное напряжение на аноде тиристора в открытом состоянии; его можно считать равным ΔUкл.

Здесь предполагается, что напряжение на тиристоре при его включении падает до минимального практически мгновенно по сравнению с длительностью импульса тока тиристора, т. е. не учитывается время включения. Это справедливо при работе в диапазоне частот, не превышающем для современных тиристоров 40—50 кГц.

Будем исходить из того, что в цепи нагрузки мощность постоянной составляющей тока отсутствует, что практически справедливо для большинства рассматриваемых схем; тогда среднее значение анодного напряжения за период U_a.ср равно напряжению источника анодного питания Е₀. С другой стороны, нетрудно представить, что

U_a.ср = Е₀=[U_amint_и+U_а.д(Т-t_и)] / Т (1-2)

Если в выражение (1-1) подставить значение Е₀ из выражения (1-2) и определить максимум Р_~ в зависимости от t_и (для этого следует дифференцировать Р_~ по t_и и положить полученную производную равном нулю), то будем иметь t_и = Т/2, т. е. q = 2.

Среднее значение тока через тиристор Iа0 в этом случае равно I_amд/2. Поскольку величина U_amin для тиристоров на несколько порядков меньше U_а.д. то, полагая в пределе U_amin= 0, получим Е₀=U_а.д/2.

Считая электронный КПД в эталонном режиме практически равным единице (η_э = 1), в качестве эталонной мощности можно принять мощность при q = 2:

Р_~=Е₀I_a0=U_а.дI_amд/4 (1-3)

Мощность, отдаваемая тиристором в любом другом заданном режиме при работе в генераторе или усилителе, равна (здесь также предполагается, что η_э =1)

Р_~ = Р₀=Е₀I_а0=U_а.дI_amд Е₀ I_a0/(U_а.дI_amд) (1-4)

В формуле (1-4) отношения E₀/U_a.д и I_a0/I_amд зависят от формы анодного напряжения и тока тиристора, т. е. являются параметрами режима работы. Они определяются соотношениями параметров схемы генератора, но не зависят от напряжения источника питания или полезной мощности в нагрузке.

За коэффициент, характеризующий использование тиристора по мощности, можно принять величину

 (1-5)

Значение kм не превосходит единицы, так как предельная эталонная мощность получается, как указывалось ранее, при условии U_a.д = 2Е₀; I_amд = 2I_а0. Этот коэффициент характеризует, по существу, влияние форм тока и напряжения на мощность, получаемую от генератора; причем, чем больше значение k_м , тем больше указанная мощность.

Таким образом, коэффициент k_м позволяет оценить схему устройства или режим его работы с точки зрения использования тиристоров по мощности.

2. Возможности использования тиристорных генераторов для получения звуковых и ультразвуковых частот определяются выбором схемы устройства и ее режима работы, а также частотными (динамическими) свойствами самих тиристоров.

Частотные свойства тиристоров, в свою очередь, определяются номинальным временем выключения t_в.ном. Введение частотного критерия необходимо для установления связи между частотными свойствами тиристоров, генерируемой частотой, выбором схемы устройства и его режима работы.

Время t_в, в течение которого на анодах тиристоров той или иной схемы сохраняется отрицательное напряжение и происходит процесс выключения (схемное время выключения), должно быть не меньше номинального времени выключения .

Поэтому, если известно отношение t/_вТ, где Т — период генерируемой частоты, то, полагая t_в= t_в.ном, нетрудно определить предельную частоту ƒ = 1/Т, которая может быть получена для данного случая. Таким образом, удобно в качестве частотного критерия выбрать отношение

k_в=t_в/Т (1-6)

В схемах с умножением частоты, как будет показано далее, время выключения определяется формулой

 (1-7)

где Т — период генерируемой частоты; t_и — длительность импульса тока через тиристор; nч = ƒ/F — коэффициент умножения частоты, равный отношению генерируемой частоты ƒ к частоте следования импульсов тока через тиристор F; t'_в — добавка к времени выключения, зависящая от обратного напряжения на тиристоре.

Абсолютное значение t'_в, как правило, существенно меньше Т/2 и уменьшается при уменьшении обратного напряжения на тиристоре (в частности, t'_в = 0 при нулевом обратном напряжении).

Даже при малых коэффициентах умножения частоты nч добавка t'_в составляет малую часть всего значения t_в (не более 10—15 %), причем с ростом nч процентное соотношение между в и t_в уменьшается. Поэтому величиной t'_в в (1-7) можно пренебречь, и тогда получим

(1-8)

Выражение для частотного критерия у схем с умножением частоты имеет вид

k_в=t_в/Т=n_ч/2-t_и/Т

Для исчерпывающей характеристики режима работы устройства кроме k_в необходимо знать схемное время выключения в течение переходного процесса при включении устройства. Оно может быть меньше времени t_в для установившегося режима и вызвать нарушение устойчивости работы схемы.

Обычно при анализе устройств в рассмотрение вводят величину t_вmin/t_в, где в min — минимальное время выключения с учетом переходного процесса. Тогда произведение k_в t_вmin/t_в=t_вmin/T позволяет определить частоту ƒ = 1/T, которая может быть получена, если приравнять t_вmin величине t_в.ном.

На первый взгляд может показаться, что знания t_вmin достаточно для полной характеристики режима работы устройства, однако это не так.

Поскольку токи тиристоров во время переходного процесса могут быть меньше, чем при установившемся режиме, то и реальное время выключения тиристоров оказывается меньше t_в.ном. В этом случае, даже если t_вmin<t_в.ном, устойчивость работы устройства может не нарушиться. Тогда необходимо знать t_в в установившемся режиме и положить его равным t_в.ном.

3. КПД тиристорных устройств в значительной степени определяется потерями в тиристорах.

Эти потери состоят из четырех основных составляющих: 1) потерь на участке нарастания, длительность которого определяется либо нарастанием тока через тиристор при включении от 0,1 до 0,9 его максимального значения, либо спаданием напряжения от 0,9 до 0,1 его максимального значения; 2) потерь на участке установления, связанных с конечной скоростью распространения включенного состояния по площади полупроводниковой структуры; 3) потерь на участке протекания прямого тока через полностью включенный тиристор; 4) потерь на участке выключения. В настоящее время получены выражения для всех указанных составляющих. Из них следует, что суммарное значение потерь возрастаете увеличением частоты следования импульсов тока через тиристор (что соответствует увеличению генерируемой частоты) и при приближении их формы к прямоугольной. Это возрастание происходит за счет роста первой и четвертой составляющих потерь.

Вычисление потерь в каждом конкретном случае для сравнения различных схем и режимов их работы нецелесообразно по двум причинам.

Во-первых, вычисление потерь для каждого конкретного случая, учитывающего различие в форме импульса тока, весьма трудоемкий процесс.

Во-вторых, у большинства схем тиристорных устройств форма импульса тока тиристоров близка либо к синусоидальной, либо к прямоугольной (трапецеидальной). Поэтому можно вычислить потери для двух указанных форм тока в зависимости от длительности импульсов, частоты их следования, максимальных значении тока и напряжения тиристоров.

Полученные зависимости позволяют определить потери и, следовательно, КПД для любого частного случая. В справочных материалах для тиристоров, предназначенных для работы в звуковом или ультразвуковом диапазоне частот, такие зависимости обычно приводятся.

4. В ряде случаев выходная частота и устойчивость работы схемы тиристорного устройства определяются скоростью нарастания прямого тока через тиристоры S_i = di_a/dt или скоростью нарастания прямого напряжения после выключении S_u = dU_a/dt.

Если значение S_i превосходит допустимое, то в связи с ограниченной скоростью распространения проводящей плазмы по плошади структуры в начальный момент включения на участках вблизи управляющего электрода возникает большая плотность тока.

Мгновенные потери мощности на таких участках могут достигать большого значения, что вызывает перегрев участков и необратимые изменения в кремниевой структуре. Последнее может привести к выходу тиристора из строя.

Если значение S_u превосходит допустимое, то емкостный ток, возникающий из-за наличия значительной емкости центрального р-n-перехода, может отпереть тиристор, т. е. выполнить функцию тока управления. Это происходит в момент нарастания прямого напряжения и обычно приводит к нарушению устойчивой работы схемы.

Превышение скорости нарастания тока тиристоров выше допустимой наиболее вероятно в схемах, у которых окорма тока близка к прямоугольной (параллельные инверторы с большой индуктивностью или параллельные инверторы с обратными диодами и квазипрямоугольной формой выходного напряжения), а превышение скорости нарастания напряжения — в схемах с резким нарастанием прямого напряжения на тиристоре после его выключения (схемы генераторов с обратными диодами).

Иногда требуются специальные меры по уменьшению указанных величин. Учитывая вышесказанное, при анализе различных схем тиристорных устройств необходимо определить величины S_i и S_u.
Ниже рассматривается вторая группа критериев оценки тиристорных устройств.

5. Выбор схемы устройства или режима его работы в некоторых случаях определяется влиянием нагрузки на основные характеристики устройства. К ним в первую очередь следует отнести максимальные токи I_аm и напряжения U_am тиристоров, связанные с ними крутизны S_i и S_u, а также колебательную мощность в нагрузке Р_~.

Чем меньше изменяются перечисленные выше характеристики, тем устойчивее работает схема при переменной нагрузке. Для количественной оценки влияния нагрузки желательно иметь зависимости I_am, U_am, S_i, S_u, тока источника питания I0 от сопротивления нагрузки.

Изменение тока I₀ пропорционально изменению мощности, потребляемой от источника питания, Р₀. Поскольку КПД η тиристорного генераторного устройства обычно высок (не менее 80—85 % даже на повышенных частотах), то можно с некоторым приближением, положив η = 100 %, считать Р_~ равным Р₀ и соответственно I₀ пропорциональным Р_~.

6. Наиболее простым способом изменения выходной частоты устройства является изменение частоты управляющих импульсов тиристоров, в то время как параметры элементов схемы остаются постоянными.

При этом изменяются режим работы устройства и, в частности, как и в предыдущем случае, основные его характеристики I_am, U_am, S_i, S_u,Р_~. Эти изменения могут служить критериями работы схемы.

Количественно они могут быть учтены по аналогии с изложенным в предыдущем пункте с помощью зависимостей указанных характеристик от частоты.

7. В большинстве случаев практического применения тиристорных устройств требования к содержанию высших гармонических в выходном напряжении не являются жесткими, т. е. коэффициент гармоник k_г выходного напряжения может быть достаточно высок (иногда вплоть до 15—20 % и более). Это относится в первую очередь к тиристорным генераторным устройствам для различного промышленного применения (нагрев, закалка, электропривод и т. д.).

Однако поскольку колебательные системы тиристорных устройств стремятся сделать по возможности с низкой добротностью для улучшения использования тиристоров по мощности (в последующих главах это будет детально обосновано), то коэффициент k_г для некоторых схем может оказаться весьма значительным и превзойти допустимое значение даже для сравнительно нежестких требований, указанных выше.

Поэтому для ряда схем коэффициент k_г может служить критерием выбора самого типа схемы и режима ее работы и должен быть учтен при анализе.

В заключение первой главы целесообразно привести основные параметры тиристора; основные величины, характеризующие режим работы тиристорных устройств; условия, при которых в последующих главах производится анализ тиристорных устройств, а также наиболее часто встречающиеся параметры и величины, характеризующие режимы работы основных схем тиристорных устройств.

Основные параметры тиристора:

1. Номинальный (средний) ток I_ном.
2. Номинальное (повторяющееся) напряжение U_ном.
3. Допустимое напряжение U_a.д (равно номинальному).
4. Максимальный допустимый ток I_amд.
5. Прямое падение напряжения ΔU_кл.
6. Номинальное время выключения t_в.ном.
7. Номинальное время включения t_{вкл.ном}.
8. Допустимая скорость нарастания прямого тока S_iд.
9. Допустимая скорость нарастания напряжения на аноде S_uд.
10. Отпирающий ток управляющего электрода I_у.
11. Отпирающее напряжение на управляющем электроде U_y.

Основные величины, характеризующие режим работ тиристорного устройства:

1. Коэффициент использования тиристора по мощности k_м.
2. Схемное время выключения t_в и критерий по частоте к_в.
3. Отношение t_вmin/t_в, характеризующее уменьшение схемного времени выключения во время переходного процесса при включении тиристорного устройства.
4. Коэффициент полезного действия тиристорного устройства η.
5. Скорость нарастания прямого тока через тиристор S_i.
6. Скорость нарастания напряжения на аноде тиристора S_u.
7. Зависимости, характеризующие влияние изменения нагрузки и частоты на режим работы тиристорного устройства.
8. Коэффициент гармоник выходного напряжения k_г.

Основные условия, при которых производится анализ тиристорных устройств:

1. Основные элементы схем (конденсаторы, катушки индуктивности — дроссели и трансформаторы) не имеют потерь.
2. Тиристоры и диоды не имеют потерь. Это условие совместно с предыдущим позволяет при расчетах с достаточной степенью точности считать КПД тиристорных устройств равным 100%.
3. Тиристоры и диоды, кроме специально оговоренных случаев, представляют собой идеальные ключи, т. е. включение их и прекращение тока через них происходят безынерционно.
4. Внутреннее сопротивление источников питания равно нулю.

Параметры, характеризующие режим работы схемы устройства:

1. Добротность коммутирующего контура - параллельного Q =√R²_вС/L, последовательного Q =√L/(Cr²_в).
2. Отношения частот контура нагрузки или коммутирующего контура и генерируемой выходной частоты (частоты напряжения на нагрузке): β = ω_к/ω; Θ = ω_р/ω.
3. Соотношение индуктивностей разрядного (коммутирующего) и нагрузочного контуров γ= L_p/L_к.
4. Соотношение емкостей коммутирующего и нагрузочного контуров либо емкостей конденсаторов коммутирующего контура, включенных последовательно и параллельно нагрузке, ε=С_к/С_р.