Принципы создания бесконтактных выключателей

Как уже указывалось, полупроводниковые приборы типа транзистора и тиристора в принципе пригодны для коммутации — включения и отключения электрич­ской цепи. Управление коммутацией осуществляется подачей соответствующих импульсов, тока на управляющий электрод. Возрастающие требования к надежности систем электрооборудования, особенно автономных систем (самолетные, судовые и т. п.), определяют необходимость перехода от традиционной контактной аппаратуры к бесконтактным устройствам коммутации и защиты сетей постоянного и переменного тока. Однако при использовании полупроводниковых приборов для коммутации силовых цепей следует учитывать специфические свойства этих приборов, отличающие их от выключателей с металлическим контактом.

Одна из основных особенностей — это повышенное по сравнению с металлическим контактом падение напряжения на полупроводниковом контакте — от долей вольта до нескольких вольт. Это приводит к значительному выделению мощности и, следовательно, нагреву контакта. Поэтому полупроводниковые приборы требуют интенсивного охлаждения — воздушного или водяного.

В переходных режимах и особенно при аварийной ситуации, например при коротких замыканиях, возможны броски тока, во много раз превышающие номинальные значения. Длительность этих бросков обычно невелика, они прекращаются или вследствие затухания переходного процесса, или вследствие защитного отключения. Для металлического контакта они не представляют опасности. Иначе обстоит дело с полупроводниковым контактом, который представляет собой кристалл полупроводника объемом не более десятков кубических миллиметров и поэтому с малой теплоемкостью. При внезапном увеличении тока, т. е. мощности потерь, теплота не успевает отводиться от кристалла к охладителю. Поэтому кристалл, в котором выделяется эта теплота, начинает нагреваться с большой скоростью. Так как допустимая температура нагрева кристалла невелика — от 160 до 200 °С, то полупроводниковый прибор может очень быстро выйти из строя. Поэтому одним из важных показателей кратковременной перегрузочной способности прибора является величина (интеграл Джоуля)

А = t.

Она характеризует максимально допустимую энергию, которую прибор

может рассеять в условиях, когда практически отсутствует отвод теплоты. Так, например, для тиристора ТЧ-10 величина А= 100 А² с; это значит, что прибор допускает в течение, например, t = 0,01 с импульс тока, равный 100 А, а в течение 0,1 с — всего 30 А.

Из сказанного следует, что надежная работа полупроводникового коммутатора возможна лишь при условии, что внезапные броски тока будут либо ограничиваться, либо отключаться с достаточной скоростью, т. е. в бесконтактной системе естественно совмещать функции коммутации нагрузки с ее ограничением и защитой сети в одном и том же устройстве. Это оказывается возможным благодаря замечательному свойству самих полупроводниковых приборов — их быстродействию. Скорость включения лучших типов тиристоров — порядка 10 мкс, а у транзисторов еще выше — до 0,5 мкс. Этого вполне достаточно для отключения цепи раньше, чем ток короткого замыкания возрастет до недопустимого значения. Тем более, что скорость нарастания аварийных токов может быть снижена включением небольших реакторов в токовую цепь.

Ограничения тока можно достичь путем перевода прибора в режим периодического переключения с необходимым коэффициентом заполнения. Такой режим обычно используется в транзисторных коммутирующих устройствах постоянного тока.

Другая особенность полупроводниковых коммутирующих устройств — сохранение гальванической связи отключенной части цепи с источником вследствие несовершенства полупроводникового контакта, т. е. наличие токов утечки в режиме отключения. Этот недостаток устраняют, включая последовательно разъединитель — металлический контакт, который коммутирует цепь только в обесточенном состоянии.

Таким образом, коммутирующее устройство на полупроводниковых приборах обязательно должно дополняться специальной схемой контроля и защиты, а также разъединителем.