"Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"
Институт Энергетики и Транспортных систем
Кафедра Электротехники и
Электроэнергетики
Курсовая работа
по дисциплине "Полупроводниковые электрические аппараты"
на тему:
"Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме
силового блока полупроводникового
аппарата"
Выполнил студент группы 43215/2: Баймуратов И.З.
Научный руководитель: Васерина К.Н.
Санкт-Петербург 2014
Содержание
Введение
1. Полупроводниковое аппаратостроение на основе силовой электроники
1.1 Преимущества силовых полупроводниковых аппаратов
1.2 Недостатки силовых полупроводниковых аппаратов
1.3 Специфические требования к СППА в эксплуатационных режимах
1.4 Области применения СППА
2. Современная силовая электроника
2.1 Традиционный тип полупроводниковых приборов
2.1.1 Диод
2.1.2 Транзистор
2.1.3 Тиристор
2.2 Современные разработки силовых полупроводниковых приборов
2.2.1 Тиристор GTO
2.2.2 Тиристоры GCT
2.2.3 Тиристоры IGCT
2.2.4 Транзисторы IGBT
2.2.5 Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET
2.3 Функциональные параметры СПП
2.4 Технико - экономические возможности применения СПП
3. Основные характеристики силовых полупроводниковых проборов по току и напряжению
3.1 Температура полупроводниковой структуры - критерий работоспособности полупроводниковых приборов
3.2 Характеристики по току и напряжению
3.3 Спрямленная вольтамперная характеристика, параметры
3.4 Взаимосвязь температуры полупроводниковой структуры с потерями и тепловым сопротивлением
3.4.1 Установившийся режим
3.4.2 Переходный процесс
4. Расчет температуры СПП в заданном эксплуатационном режиме
4.1 Расчетное задание
4.2 Расчет температуры в заданном длительном режиме
4.3 Расчет температуры в импульсном режиме графоаналитическим способом
4.4 Оценка расчетной температуры полупроводникового прибора в эксплуатационном режиме
Заключение
Список использованных источников
Реферат
На ___ стр.29 рис.
Силовые полупроводниковые аппараты, вольт-амперная характеристика тиристора, элементная база силовой электроники, эксплуатационные режимы, длительный, импульсный, температура структуры, тепловое сопротивление.
В работе представлен анализ полупроводниковых электрических аппаратов. Перечислены основные характеристики и достигнутые параметры силовых полупроводниковых приборов. Приведены методы тепловых расчётов силового блока полупроводникового аппарата в режимах длительной и импульсной нагрузки током. Проведён тепловой расчёт силового тиристора в заданном режиме работы полупроводникового аппарата.
тепловой расчет тиристор полупроводниковый
Обозначения и
сокращения
СПП - силовой полупроводниковый прибор
СППА - силовой полупроводниковый аппарат
СУ - система управления
ВАХ - вольт-амперная характеристика- GateTurnOff- Gate
Commutated Thyristor- Integrated Gate-Commutated Thyristor- Insulated-Gate
Bipolar Transistor- Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistors
Интенсивное развитие силовой полупроводниковой техники определило появление целого ряда научно-технических направлений в развитии электротехнической промышленности. Качественно новые изменения произошли и в области электроаппаратостроения. Появилась возможность создания коммутационных и защитных аппаратов с быстродействием и коммутационным ресурсом, недоступным для традиционных электромеханических аппаратов. Эти свойства, а также преимущества, связанные с отсутствием подвижных частей и дуговых явлений, способность осуществлять регулирование проходной мощности, чувствительность к управлению, высокая надёжность и низкие эксплуатационные расходы обусловили широкое использование сильноточных полупроводниковых (электронных) аппаратов в сетях низкого напряжения в качестве аппаратов управления и защиты. Одновременно возникло и получает всё большее признание направление по созданию комбинированных контактно-полупроводниковых аппаратов, совмещающих в себе положительные качества обоих типов аппаратов.
Практически все современные преобразователи базируются на силовых полупроводниковых приборах ключевого типа, то есть на таких приборах, которые в зависимости от поступающего на них сигнала принимают либо состояние с высокой проводимостью, либо с высокой блокирующей способностью. Условное сопротивление прибора ключевого типа в двух различных состояниях может отличаться в 10-12 раз более, а потому на электрических схемах такой прибор достаточно точно может быть эквивалентирован замкнутым ключом в состоянии высокой проводимости, а в состоянии высокой блокирующей способности - ключом разомкнутым. Полупроводниковые приборы ключевого типа иногда называют просто ключами или вентилями. Выбор ключевого элемента играет решающую роль в конструировании преобразователя и определяет его функциональные возможности и стоимость.
В настоящее время основными приборами силовой электроники являются диоды, тиристоры, биполярные транзисторы, силовые модули на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и запираемые тиристоры (GTO). Существует ряд других современных силовых полупроводниковых приборов (СПП) ключевого типа, например, интеллектуальные силовые интегральные схемы, мощные полевые транзисторы и т.д., однако эти приборы пригодны для применения на сравнительно небольших токах и напряжениях.
В данной работе рассмотрены методы расчета нагрузочной
способности тиристоров в эксплуатационных режимах работы. После теоретического
описания методов приведен пример расчета нагрузочной способности тиристора в
схеме однополюсного полупроводникового аппарата переменного тока со
встречно-параллельным включением тиристоров.
В электронных аппаратах основным элементом, управляющим потоком электрической энергии являются коммутирующие электрические статические или бесконтактные электронные ключи. Функции бесконтактных ключей в настоящее время преимущественно выполняют силовые полупроводниковые приборы. К силовым полупроводниковым приборам относятся приборы с максимально допустимым средним током свыше 10А или импульсным током свыше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы работают в качестве электронных ключей в двух явно выраженных состояниях - включенном, соответствующем высокой проводимости, и выключенном, соответствующем низкой проводимости. В этих режимах их вольтамперные характеристики (ВАХ) подобны характеристикам нелинейных элементов релейного типа. Физической основой большинства таких приборов являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости. Управление электронной проводимостью позволяет осуществлять бездуговую коммутацию электрических цепей. [1]
Полупроводниковые силовые электронные ключи обладают следующими преимуществами по сравнению с коммутационными контактными аппаратами:
- отсутствие подвижной механической системы;
- бездуговая коммутация цепей, отсутствие электрического износа;
- очень высокое быстродействие, возможность плавного управления и регулирования тока;
- надёжная работа во взрывоопасных и агрессивных средах;
- возможность управления силовыми ключами при помощи маломощных сигналов;
- возможность управления сигналами малой величины в коммутируемых цепях;
- высокая стойкость к ударным механическим нагрузкам и вибрациям;
- отсутствие акустического шума во время работы.
Наряду с неоспоримыми преимуществами, силовым электронным ключам присущи следующие недостатки:
2) чувствительность к скорости нарастания прямого напряжения (возможны ложные переключения от случайных импульсов с малой продолжительностью, которые могут проникнуть в цепь управления ключом при близких ударах молний, дуговых разрядах в контактных аппаратах, электросварке и т.д.)
) невысокая глубина коммутации, т.е. отношение электрического сопротивления ключа в отключенном и включенном состояниях; отсутствие видимого разрыва цепи в выключенном состоянии, наличие остаточного тока, отсутствие гальванической развязки в коммутируемой цепи; в состоянии высокой проводимости прямое падение напряжения на ключе составляет не менее 0,7-1,5 В (до 3-х В), что обусловлено контактной разностью потенциалов на границе полупроводниковых слоёв; отсюда - существенные потери мощности, преобразующиеся в теплоту и необходимость применения охладителей
) зависимость электрических параметров от температуры, приложенного напряжения, наличия источников проникающей радиации и др.; существенные различия в электрических параметрах ключей одного типа и класса;
) существование граничных токов (относительно включенного состояния), требуется обеспечение оптимальных условий охлаждения полупроводниковых приборов
Специфические требования к СППА:
Ø Обеспечение быстродействий защиты СПП от перенапряжений, токов перегрузки и коротких замыканий.
Ø Ограничение до допустимых значений скорости нарастания прямого напряжения
Ø Ограничение скорости нарастания тока при включении СПП
Ø Обеспечение оптимальных параметров управляющих импульсов
Ø Обеспечение оптимальных условий охлаждения полупроводниковых приборов
Определение допустимых режимов работы СПП предполагает учет многих факторов, влияющих на характеристики приборов, а также всех механизмов их отказа. Зная характеристики и установив типы отказов, можно определить условия работы, при которых гарантируется надежная работа СПП в течение заданного срока службы.
Для классификационных режимов работы характеристики и значения допустимых параметров СПП приводятся в технической документации.
Но во многих применениях условия работы приборов значительно отличаются от классификационных, и разработчик электрооборудования должен сам устанавливать значения параметров, при которых обеспечивается требуемая надежность. Для этого необходимо прежде всего определить электрические характеристики СПП в том диапазоне токов, напряжений и температур, в котором предполагается их использование.
Расплавление и разрушение припоев. При сборке СПП применяются олово и припои типа ПСР-72 и ПОС-61 для соединения кремниевого диска с термокомпенсаторами и вентильного элемента с медными основаниями. Наиболее часто встречающимся дефектом в паяных соединениях является несплошность соединения. В зависимости от условий пайки и применяемой технологии площадь пустот в соединении может достигать 50 % от номинальной площади контактной поверхности. Очевидно, что это приводит, прежде всего, к снижению прочности спая.
При циклической нагрузке приборов током, сопровождающейся попеременным нагревом в охлаждение элементов конструкции в широком интервале температур, припои испытывают значительные механические нагрузки. Поэтому снижение прочности спая вызывает пластические деформации припоя на участках с бездефектным соединением элементов и прогрессирующее ухудшение электрического и теплового контакта, вплоть до вывода прибора из строя.
Развитию этого механизма отказа способствует также возникновение локальных областей с повышенной температурой, обусловленное искажением линий токов из-за наличия дефектов в спае и значительным увеличением плотности тока на отдельных участках. В режимах импульсной токовой перегрузки приборов местное повышение температуры может приводить к частичному расплавлению припоя, рекристаллизации и, следовательно, постепенному старению его.
Процесс старения припоев развивается и в случае, когда соединение выполнено идеально. В процессе термоциклирования из-за неидентичности коэффициентов линейного распределения соединяемых элементов (кремний-вольфрам, вольфрам-медь) припой подвергается периодически меняющимся механическим нагрузкам и в осевом и в радиальном направлении.
Положение осложняется еще и тем, что соединяемые элементы неодинаково нагреваются. В частности, кремний, где происходит основное тепловыделение, при коротких импульсах тока из-за малой теплоемкости нагревается до существенно большей температуры, чем термокомпенсатор. Поэтому для данного режима критическим фактором является не абсолютная температура нагрева, а разность между температурами спаянных элементов конструкции.
Таким образом, число циклов нагрева и охлаждения, которое выдерживает паяное соединение до разрушения, зависит от многих факторов: качества спая, определяющего собственную его механическую прочность, распределения дефектов, физических характеристик материалов, из которых изготовлены соединяемые элементы, режима нагрузки прибора током и др.
Усталостное повреждение кремниевой структуры. Причины и механизм развития усталостного разрушения кремния те же, что и рассмотренные выше. Но кремний является очень хрупким материалом, для него характерно малое сопротивление к сдвиговым или растягивающим усилиям. Но этому даже ослабленные термокомпенсатором механические напряжения, возникающие из-за неодинакового теплового расширения медного основания в кремния, приводят к постепенному разрушению последнего. Вероятность повреждения кремния по этой причине увеличивается с увеличением диаметра прибора, так как при этом возрастают напряжения на периферии кремниевого диска.
Разрушение кремния, проявляющееся в виде трещин или расслоений, может происходить и при воздействии разовой перегрузки прибора током. Особенно важным является предупреждение возможности возникновения такого рода повреждений, когда по условиям работы СПП находится до протекания тока перегрузки при низкой температуре и элементы его конструкции уже подвержены воздействию значительных механических напряжений.
Шнурование прямого тока. Этот вид повреждения СПП возникает из-за чрезмерного разогрева кремниевой структуры, в результате чего создаются условия для локализации тока в небольшой области. Этот процесс завершается локальным проплавлением кремния. Заметим, что амплитуда и длительность допустимого тока перегрузки, при которых исключается процесс шнурования тока, определяются не разностью температур, а максимальной температурой кремния при протекании им пульса тока. Особенно опасным в отношении возможности проявления шнурования тока является превышение допустимых значений (di/dt) crit при включении приборов.
Сверхбыстродействующие аппараты с искусственной коммутацией, обладающие высокой токоограничивающей способностью, используются в фидерных цепях в качестве автоматических выключателей для защиты ответственных энергопотребителей, а также для обеспечения многоступенчатой селективной защиты сетей. Опыт эксплуатации таких выключателей показывает, что максимальное время перерыва питания при трехступенчатой защите не превышает 0,1с. При использовании для этих целей контактных выключателей оно составляет 0,3 - 0,4 с.