Как правильно выбрать силовой тиристор?

Выбор силового тиристора — ответственная задача при проектировании управляемых выпрямителей, регуляторов мощности, устройств плавного пуска, электроприводов, промышленных преобразователей и другого силового оборудования.

Ошибка при выборе прибора может привести к перегреву, пробою полупроводниковой структуры, ложному включению, нарушению коммутации или преждевременному выходу оборудования из строя.

В отличие от силового диода, тиристор является управляемым полупроводниковым прибором. Поэтому при его выборе необходимо учитывать не только допустимые ток и напряжение, но также:

• параметры управляющего импульса;
• скорость нарастания тока при включении;
• скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии;
• время восстановления запирающей способности;
• условия естественной или принудительной коммутации;
• тепловой режим;
• ударные и аварийные токи;
• конструктивное исполнение и способ охлаждения.

В статье рассматривается выбор обычных силовых низкочастотных тиристоров, применяемых преимущественно в сетевых и низкочастотных преобразователях. Для быстродействующих тиристоров (ТБ, ТБИ, ТБЧ), GTO, IGCT, фототиристоров и других специальных приборов набор определяющих параметров может отличаться.

1. Выбор конструктивного исполнения тиристора

Первым шагом при проектировании является выбор конструктивного исполнения прибора.

Силовые тиристоры выпускаются преимущественно в трёх конструктивных исполнениях:

• штыревом;
• таблеточном;
• модульном.

Штыревой тиристор имеет резьбовое основание, с помощью которого прибор устанавливается на охладитель.

Преимущества:

• сравнительно простой монтаж;
• небольшие габариты;
• удобство замены;
• доступная стоимость.

Ограничения:

• преимущественно одностороннее охлаждение;
• ограниченная эффективность отвода тепла;
• необходимость соблюдать момент затяжки;
• электрический потенциал основания может быть связан с анодом или катодом.

Штыревые тиристоры обычно применяются при небольших и средних токах.

Таблеточный тиристор устанавливается между двумя контактными поверхностями охладителя и требует нормированного усилия сжатия.

Преимущества:

• двустороннее охлаждение;
• низкое тепловое сопротивление;
• высокая перегрузочная способность;
• возможность работы при больших токах;
• высокая стойкость к термоциклированию.

Ограничения:

• необходимость специальной прижимной конструкции;
• строгие требования к усилию сжатия;
• требования к параллельности и качеству контактных поверхностей;
• более сложный монтаж.

Таблеточные тиристоры применяются в мощных промышленных, энергетических и тяговых преобразователях.

В модуле могут быть размещены один или несколько тиристоров, диодов или их комбинация.

Преимущества:

• электрически изолированное основание у большинства моделей;
• компактность;
• удобное соединение элементов в типовую силовую схему;
• упрощённый монтаж на общий охладитель;
• снижение количества силовых соединений.

Ограничения:

• более высокое тепловое сопротивление по сравнению с таблеточными приборами;
• ограниченная ремонтопригодность;
• чувствительность к качеству теплового контакта с охладителем;
• необходимость учитывать изоляционное напряжение основания.

Модули применяются как в устройствах средней мощности, так и в достаточно мощных промышленных преобразователях.

Сравнить преимущества и недостатки разных конструкций можно с помощью Таблицы 1.

Таблица 1

При выборе конструктивного исполнения необходимо учитывать:

• расчётный ток;
• суммарные потери;
• способ охлаждения;
• допустимую температуру корпуса;
• наличие электрической изоляции;
• доступное монтажное пространство;
• удобство обслуживания;
• допустимое усилие прижима или момент затяжки;
• механическую стойкость конструкции;
• требуемое изоляционное напряжение.

2. Расшифровка маркировки силового тиристора

Маркировка силового тиристора может содержать:

• тип прибора;
• конструктивное исполнение;
• номинальный ток;
• класс по напряжению;
• группу по динамическим параметрам;
• климатическое исполнение;
• категорию размещения.

Например, в обозначении вида:

Т171-320-18-52 УХЛ2

можно выделить:

• Т — тиристор;
• 171 — обозначение серии или конструктивного исполнения;
• 320 — номинальный средний ток прибора в установленных паспортом условиях;
• 18 — класс по напряжению, соответствующий 1800 В для данного семейства приборов.
• 5 — группа по критической скорости нарастания напряжения;
• 2 — группу по времени выключения;
• УХЛ2 — климатическое исполнение и категория размещения;

Для тиристоров основными напряжениями являются:

• VDRM — повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;
• VRRM — повторяющееся импульсное обратное напряжение;
• VDSM — неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;
• VRSM — неповторяющееся импульсное обратное напряжение.

Рисунок 1. Обозначение напряжений тиристора в закрытом состоянии.

Повторяющиеся напряжения V_DRM и V_RRM используются при выборе рабочего класса прибора. Класс по напряжению это V_RRM / 100. Например, класс 18 соответствует напряжению 1800 В. 

Климатическое исполнение, например УХЛ2, указывает условия эксплуатации и категорию размещения. Такие обозначения регламентируются ГОСТ 15150-69.

3. Алгоритм выбора тиристора

1) Первый шаг - это выбор класса по напряжению. для этого Необходимо определить максимальное напряжение, которое может повторяющимся образом прикладываться к конкретному тиристору в закрытом состоянии.

Следует отдельно определить:

• максимальное прямое закрытое напряжение;
• максимальное обратное напряжение;
• коммутационные перенапряжения;
• сетевые выбросы;
• напряжение, возникающее при переходных процессах;
• распределение напряжения при последовательном соединении приборов.

Для простейшей предварительной оценки амплитуда синусоидального напряжения приближенно определяется как:

U_m ≈ 1,41 · U_RMS

Однако эта формула определяет только амплитуду заданного синусоидального напряжения. Она не учитывает топологию преобразователя, коммутационные перенапряжения и распределение напряжения между вентилями.

Поэтому правильный порядок выбора следующий:

1. Определить максимальное расчётное напряжение на закрытом тиристоре.
2. Учесть ограниченные защитными цепями перенапряжения.
3. Ввести коэффициент запаса.
4. Выбрать ближайший больший стандартный класс напряжения.

Условие выбора можно записать как:

(U_DRM,U_RRM) ≥ (U_D,U_R)· k_U

где:

• U_D — максимальное прямое напряжение на закрытом тиристоре;
• U_R — максимальное обратное напряжение;
• k_U— коэффициент запаса по напряжению.

Коэффициент запаса выбирается с учётом:

• стабильности питающей сети;
• точности расчёта;
• наличия снабберных цепей;
• характеристик варисторов и ограничителей;
• паразитных индуктивностей;
• требований к надёжности.

На предварительном этапе для защищённой промышленной схемы часто используют коэффициент порядка 1,5–2. Но окончательное значение должно определяться по реальному максимальному напряжению на приборе и характеристикам системы ограничения перенапряжений. Вы также можете воспользоваться готовой Таблицей 2 для выбора класса по напряжению:

Таблица 2.

Важно учитывать, что реальные коммутационные выбросы могут превышать амплитудное сетевое напряжение. Поэтому для ограничения перенапряжений применяются:

• RC-цепи;
• варисторы;
• TVS-ограничители;
• разрядники;
• RCD-цепи;
• ограничивающие дроссели;
• оптимизация шин и силовой разводки.

Защитная цепь должна рассчитываться совместно с тиристором. Нельзя сначала выбрать прибор с минимальным запасом, а затем рассчитывать защиту без учёта его допустимых динамических параметров.

2) Вторым шагом будет подбор тиристора по току.

При подборе ориентируются на:

• средний ток IT(AV);
• действующий ток IT(RMS);
• форму тока;
• угол проводимости;
• длительность открытого состояния;
• условия охлаждения.

Для большинства классических схем желательно выбирать тиристор по среднему току с запасом полтора-два раза.

Например, если расчетный рабочий ток составляет 40 А, то тиристор желательно выбирать с номинальным средним током не менее:

IT(AV) ≥ (1,5...2) · 40 = (60...80) А

Однако это правило является ориентировочным. Если тиристор работает в импульсном режиме, в регулируемом выпрямителе с малым углом проводимости, в цепи с большими пиковыми токами или при длительной проводимости, расчет необходимо выполнять по реальной форме тока.

Для теплового расчета важно знать не только среднее, но и действующее значение тока. Например, для полуволны синусоиды действует приближенное соотношение:

IT(RMS) ≈ 1,57 · IT(AV)

Для других схем выпрямления и углов проводимости коэффициент будет другим.

3) Шаг три - это необходимость проверить, сможет ли схема управления надежно открыть его при любых допустимых условиях эксплуатации. 

Силовой тиристор открывается при подаче управляющего тока в цепь катод-управления. Поэтому схема управления должна обеспечить достаточный ток управления I_G, нужную длительность импульса и надежную помехозащиту. Кроме амплитуды тока, важна длительность импульса управления. Она должна быть достаточной, чтобы анодный ток успел превысить ток включения I_L. 

Рекомендуемая схема управления выглядит следующим образом:

Рисунок 2. Рекомендуемая форма импульса управления

где:

• I_GM = 5.....20 I_GT
• I_Gon ≥ 2 I_GT
• di_G/dt  ≥ 2 А/мкс
• tr ≤ 0,5 мкс
• t_p(I_GM) = 5.....20 мкс

Среднюю мощность в цепи затвора при импульсном управлении можно оценить по формуле:

P_G = U_G ⋅ I_G ⋅ tp ⋅ f

где:

• P_G — средняя мощность, рассеиваемая в цепи управления, Вт;
• U_G — напряжение управления, В;
• I_G — ток управления, А;
• tp — длительность импульса управления, с;
• f — частота повторения импульсов, Гц.

Самый простой вариант отпирания тиристора — подача управляющего сигнала на затвор через ограничительный резистор. Такая схема применяется в простых устройствах малой и средней мощности, где управляющая цепь находится на том же потенциале, что и катод тиристора. Принцип работы простой: источник управления формирует напряжение, а резистор ограничивает ток затвора. Но у такой схемы множество недостатков: отсутствие форсирующего импульса, нет гальванической развязки, низкая помехоустойчивость, ограниченное применение в силовых схемах, опасность повреждения управляющей электроники при пробое.

Оптронная схема используется для гальванической развязки управляющей электроники и силовой части устройства. Управляющий сигнал передаётся внутри оптрона с помощью света, поэтому между входной и выходной цепями отсутствует прямое электрическое соединение. В маломощных сетевых схемах часто применяют оптосимисторные драйверы, например серии MOC30xx. Такие оптопары используются в простых регуляторах мощности, ключах переменного тока и устройствах управления нагрузкой от сети. Для управления мощными тиристорами или симисторами одного оптрона обычно недостаточно, так как затвор силового тиристора требует определённого тока и энергии управляющего импульса. Поэтому после оптрона устанавливают усилительный каскад. В более мощных схемах также могут применяться импульсные трансформаторы, специализированные драйверы затвора или оптроны в сочетании с отдельным источником питания драйвера.

Специализированный драйвер формирует управляющий импульс нужной амплитуды, длительности и формы. Он может иметь встроенную гальваническую развязку, защиту от помех, вход синхронизации с сетью, регулировку угла управления и выходной каскад повышенной мощности.

Импульсный трансформатор — один из самых распространенных способов управления силовыми тиристорами в промышленных схемах. Он обеспечивает гальваническую развязку, передачу короткого мощного импульса и хорошую помехоустойчивость. Принцип работы: на первичную обмотку подается импульс напряжения, а со вторичной обмотки снимается импульс тока, который поступает в цепь затвор–катод тиристора.

При последовательном или параллельном соединении тиристоров важно обеспечить их максимально одновременное включение. Если один из приборов откроется раньше остальных, нагрузка между элементами распределится неравномерно: на ещё закрытых тиристорах может кратковременно возникнуть повышенное напряжение, а через уже открывшиеся — протекать увеличенный ток. Такие переходные процессы опасны, поскольку могут привести к перегрузке и пробою приборов. Чтобы снизить эти риски, в подобных схемах применяют: синхронную подачу управляющих импульсов, уравнительные RC-цепи, статические делители напряжения, токовые петли управления — как способ передать одинаковый управляющий импульс на несколько тиристоров одновременно.

4) Шаг четыре - проверка на устойчивость к скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии du/dt.  Даже без управляющего импульса тиристор может самопроизвольно включиться, если напряжение между анодом и катодом нарастает слишком быстро. Если этот ток становится достаточно большим, он может вызвать ложное включение.

Необходимо различать:

• статическую устойчивость к (dV/dt) в закрытом состоянии;
• коммутационную устойчивость к (dV/dt) после выключения.

Рабочая скорость нарастания напряжения должна быть ниже паспортного значения при сопоставимых условиях.

Следует учитывать, что паспортное значение зависит от:

• температуры перехода;
• амплитуды напряжения;
• состояния управляющего электрода;
• предыдущего тока;
• условий выключения.

На предварительном этапе рабочее значение часто стараются удерживать ниже 50–70% паспортного предела, но этот запас не является универсальной нормой.

Для ограничения (dV/dt) применяют:

• RC-снабберы;
• варисторы;
• ограничители перенапряжения;
• оптимизацию силовой разводки;
• экранирование цепей управления;
• низкоомное шунтирование управляющего перехода;
• правильное соединение управляющего электрода и катода.

RC-цепь должна рассчитываться по параметрам нагрузки и силовой схемы. Слишком большая ёмкость увеличивает импульсный ток при включении тиристора, поэтому выбор снаббера связан одновременно с ограничением (dV/dt) и (di/dt).

5) Шаг пять - проверка на устойчивость к скорости нарастания тока в открытом состоянии (di/dt). При включении тиристора проводимость распространяется по площади полупроводникового элемента не мгновенно. Если анодный ток растет слишком быстро, часть кристалла может оказаться перегруженной. Даже если тиристор подходит по среднему току, превышение di/dt может привести к локальному разрушению кристалла.

На практике для надежной работы необходимо, чтобы рабочее значение di/dt было ниже паспортного предельного значения с запасом, по аналогии с ранее рассмотренной скоростью нарастания напряжения  :

(di/dt)_раб ≤ (0,3...0,7) · (di/dt)_crit

Для ограничения di/dt применяют:

• последовательные дроссели;
• насыщаемые реакторы;
• оптимизацию схемы включения;
• усиленные импульсы управления управления.

Особенно важно различать повторяющийся и неповторяющийся допустимый di/dt. Значение, разрешённое для одиночного импульса или частоты 1 Гц, нельзя автоматически использовать в непрерывном рабочем режиме. 

6) Шаг шесть. Определение требуемой скорости выключения тиристора. Она определяется физическими процессами восстановления запирающей способности полупроводниковой структуры после выключения.

После снижения анодного тока ниже тока удержания тиристор переходит в закрытое состояние, однако его способность блокировать прямое напряжение восстанавливается не мгновенно. В течение некоторого времени в базовых областях сохраняется избыточный заряд неосновных носителей, препятствующий повторному запиранию прибора. Если в этот интервал вновь приложить прямое напряжение, возможно самопроизвольное повторное включение тиристора без подачи управляющего импульса.

Поэтому одним из важнейших динамических параметров силового тиристора является время выключения tq, определяемое как минимальный интервал между прекращением проводимости и повторным приложением прямого напряжения, при котором тиристор полностью восстанавливает свои запирающие свойства.

Для обеспечения надежной работы длительность паузы между выключением тиристора и повторным приложением прямого напряжения должна превышать паспортное время выключения с определенным запасом. Введем понятие tпаузы, которое будет обозначать минимальное время до повторного приложения прямого напряжения:

tпаузы ≥ kq · tq

где:

• tq — паспортное время выключения тиристора, мкс;
• kq — коэффициент запаса, учитывающий разброс параметров, температуру, условия коммутации и требования к надежности.

В инженерной практике коэффициент запаса обычно принимают в пределах от 2 до 3. Например, если по паспорту время выключения тиристора составляет 50 мкс, то при коэффициенте запаса 3 паузу перед повторным приложением прямого напряжения нужно принимать не менее 150 мкс. Иными словами, после выключения тиристора должно пройти как минимум втрое больше времени, чем его паспортное время выключения.

7) Шаг семь - расчет тепловых потерь и выбор требуемой системы охлаждения. Для начала нужно рассчитать среднюю общую мощность тепловых потерь тиристора:

Ptot = Pcond + Psw + Pblock + P_G ,

где:

• P_cond — потери в открытом состоянии;
• P_sw — потери при включении и обратном восстановлении;
• P_block — потери от токов утечки в закрытом состоянии;
• P_G — потери в цепи управления.

Средняя мощность потерь определяется по формуле:

Pcond = V_T(TO)​⋅I_T(AV) ​+ rT​⋅I_T(RMS)²

где:

• P_cond — средние потери мощности на тиристоре в прямом направлении, Вт; 
• V_T(TO) — пороговое, или начальное, прямое напряжение тиристора, В;
• I_T(AV) — средний ток через тиристор за период, А;
• rT — дифференциальное сопротивление тиристора в прямом направлении, Ом;
• I_T(RMS) — действующее, или среднеквадратичное, значение прямого тока через тиристора, А.

Коммутационные потери возникают во время включения тиристора и при выводе накопленного заряда после перехода тока через ноль. Если энергия коммутации не указана, на этапе предварительного расчёта допускается заложить коммутационные потери как долю от потерь проводимости. Для обычного фазового тиристора при мягкой сетевой коммутации на частоте 50–60 Гц коммутационные потери можно ориентировочно принимать равными 5–10% от потерь проводимости. 

Потери в закрытом состоянии и потери в цепи управления относительно невелики и при расчете ими можно пренебречь. Нужно учесть, что при высоком напряжении и температуре потери в закрытом состоянии иногда достигают десятков или даже сотен ватт. После определения потерь мощности в тиристоре можно рассчитать максимально допустимое тепловое сопротивление охладителя относительно окружающей среды:

Rth(h−a) ≤ (Tjmax − Ta) / Ptot − Rth(j−c) − Rth(c−h)

где:

• Rth(h−a) — тепловое сопротивление охладитель–окружающая среда, °C/Вт;
• Tjmax — максимально допустимая температура p-n-перехода, °C;
• Ta — температура окружающей среды, °C;
• Ptot — суммарные средние потери мощности в одном диоде, Вт;
• Rth(j−c) — тепловое сопротивление переход–корпус, °C/Вт;
• Rth(c−h) — тепловое сопротивление корпус–охладитель, °C/Вт.

Если расчёт выполняется не по предельной температуре Tjmax, а с учётом запаса по надёжности, вместо Tjmax в формулу следует подставлять выбранную допустимую рабочую температуру перехода Tjраб:

Rth(h−a) ≤ (Tjраб − Ta) / Ptot − Rth(j−c) − Rth(c−h)

Чем меньше значение Rth(h−a), тем эффективнее охладитель отводит тепло в окружающую среду. Поэтому для надёжной работы следует выбирать охладитель с тепловым сопротивлением не выше расчётного значения. На практике охладитель может работать хуже расчётных условий, так как на охлаждение влияют:

• положение охладителя;
• качество обработки контактной поверхности охладителя;
• расстояние до других нагретых деталей;
• закрытый корпус устройства;
• загрязнение пылью;
• качество теплового контакта;
• скорость воздушного потока;
• температура окружающей среды.

Поэтому охладитель желательно выбирать с запасом. Это означает, что его тепловое сопротивление должно быть меньше расчётного значения примерно на 20–30%. Например, если расчётное значение составило:

Rth(h−a) = 0,5 °C/Вт

то с запасом следует выбрать охладитель с тепловым сопротивлением примерно:

Rth(h−a) ≈ 0,35–0,4 °C/Вт

Такой подход позволяет снизить рабочую температуру перехода, повысить надёжность тиристора и уменьшить риск его перегрева в реальных условиях эксплуатации.

Последовательное соединение тиристоров

Последовательное соединение применяют, когда напряжение одного прибора недостаточно. При этом необходимо обеспечить равномерное распределение напряжения. Статическое выравнивание Из-за различия токов утечки напряжение в закрытом состоянии может распределяться неравномерно. Для выравнивания применяют параллельные резисторы. Ток через выравнивающий резистор должен существенно превышать возможный разброс токов утечки тиристоров.

При переходных процессах неравномерность возникает из-за различия:

• внутренних ёмкостей;
• времени включения;
• времени выключения;
• заряда обратного восстановления.

Для динамического выравнивания применяют:

• RC-цепи;
• согласованные управляющие импульсы;
• подбор приборов по динамическим параметрам;
• симметричную компоновку;
• одинаковые паразитные ёмкости и индуктивности.

Каждый тиристор должен получать отдельный, синхронизированный и гальванически изолированный управляющий импульс.

Параллельное соединение тиристоров

Параллельное соединение применяют для увеличения допустимого тока. Основная проблема — неравномерное распределение тока между ветвями. Причинами являются:

• различие прямого падения напряжения;
• различие динамического сопротивления;
• разная температура;
• неодинаковая индуктивность соединений;
• разное время включения;
• различие управляющих импульсов.

Для выравнивания токов применяют:

• подбор тиристоров по прямой вольт-амперной характеристике;
• симметричную топологию шин;
• одинаковую длину силовых проводников;
• отдельные управляющие цепи;
• уравнительные реакторы;
• небольшие балластные сопротивления;
• общий охладитель с хорошей тепловой связью.

Статические резистивные делители и RC-цепи, используемые при последовательном соединении, не решают задачу равномерного распределения тока при параллельной работе.

Правильный выбор силового тиристора нельзя сводить только к сравнению номинального тока и класса напряжения. Проектирование необходимо начинать с анализа конкретной силовой схемы. Следует определить максимальные прямые и обратные напряжения на каждом приборе, средний и действующий ток, угол проводимости, количество коммутаций в секунду и время, предоставляемое схемой для восстановления запирающей способности. После этого проверяются динамические параметры: допустимые скорости нарастания напряжения и тока, время выключения, заряд обратного восстановления и требования к управляющему импульсу. Окончательный выбор выполняется по результатам теплового расчёта. Температура полупроводникового перехода должна оставаться ниже выбранного рабочего предела при наиболее тяжёлых условиях эксплуатации. Выбранный тиристор можно считать подходящим только в том случае, если он одновременно имеет необходимый запас по напряжению, току, динамическим параметрам, температуре и аварийной перегрузке, а система управления, защиты и охлаждения обеспечивает его надёжную работу во всём диапазоне режимов. Комплексный подход позволяет получить не просто работоспособный, а долговечный, безопасный и устойчивый силовой преобразователь.