Выбор СПП (диодов, тиристоров, симисторов) производится, исходя из следующих параметров:
а) допустимого прямого тока;
б) допустимого обратного напряжения.
Основным критерием, ограничивающим прямой ток силовых полупроводниковых приборов, является температура полупроводниковой структуры Θр-п, которая во всех режимах работы не должна превышать максимально допустимого значения Θдоп. Температура полупроводниковой структуры Θр-п зависит от мощности потерь, выделяющихся в полупроводниковой структуре.
В нормальных режимах работы на частотах не более 200 Гц потери, в основном, обусловлены протеканием прямого тока прибора. Эти потери составляют 95-98% от полных потерь в приборе и для тиристора определяются выражением
, (1)
где U0 – пороговое напряжение (напряжение отсечки), В;
Rд – динамическое (дифференциальное) сопротивление прямой вольт-амперной характеристики прибора в открытом состоянии, Ом;
– коэффициент формы тока, протекающего через прибор;
Iср и Iэф – среднее по модулю и эффективное значение прямого тока, протекающего через прибор.
В этом случае дополнительными потерями обычно пренебрегают. Если прибор работает на повышенных частотах (свыше 200 – 500 Гц), возрастает мощность коммутационных потерь, что приводит к дополнительному нагреву прибора и к снижению допустимого прямого тока.
Эквивалентная температура полупроводниковой структуры определяется выражением
Θр-п = Θс + ΔР·Rт , (2)
где Θс – температура окружающей среды (или охлаждающего агента при принудительном охлаждении), оС;
Rт – общее, установившееся тепловое сопротивление, оС/Вт (зависит от типа охладителя и интенсивности охлаждения).
Для нормальной работы прибора должно выполняться условие
Θр-п ≤ Θдоп. (3)
При кратковременных и повторно-кратковременных нагрузках тепловое состояние прибора определяется его переходным тепловым сопротивлением, зависящим от длительности воздействия импульса мощности. Окончательная температура вычисляется методом наложения (суперпозиции) от составляющих мгновенной мощности во времени [1] .
Допустимое значение прямого среднего тока силового полупроводникового прибора, вычисленное с учетом последнего условия (3), определяется выражением [1]:
. (4)
Допустимый прямой ток прибора зависит от условий охлаждения и может меняться довольно в широких пределах.
Выбор СПП по току проводится в следующей последовательности:
– по справочной литературе [2, 3] выбирают тип СПП, имеющего допустимое среднее значение тока не ниже расчетного среднего значения прямого тока, протекающего через СПП;
– вычисляют значение эквивалентной температуры полупроводниковой структуры Θр-п, используя выражение (2);
– проверяют выполнение условия (3), если последнее условие не выполняется, изменяют условия охлаждения или выбирают другой тип тиристора, имеющий большее значение предельного тока.
Данная методика расчета применима при рабочих частотах f ≥ 50 Гц, на которых пульсациями температуры полупроводникового перехода пренебрегают. На частотах менее 20 Гц возрастает амплитуда колебаний температуры полупроводниковой структуры в процессе прохождения импульсов тока, причем максимум этих колебаний может превышать значение максимально допустимой температуры. По этой причине максимально допустимый ток прибора на таких частотах должен быть снижен по сравнению с расчетным значением (4).
Для определения класса СПП рассчитывают максимальную величину обратного напряжения Uобр.м, которое прикладывается к СПП в процессе работы.
СПП, для которых указывается предельно допустимое обратное напряжение Uобр max, выбирают из условия Uобр max > Uобр.м. Если не может быть выбран один вентиль, удовлетворяющий последнему условию, используют последовательное включение вентилей. При этом для равномерного распределения напряжения по СПП каждый шунтируют резистором:
,
где n – количество последовательно включенных приборов;