Общая характеристика полупроводниковых аппаратов

Полупроводниковые электрические аппараты (ПЭА) представляют собой одно из развивающихся направлений в электроаппаратостроении, которое базируется на современных достижениях в области силовых полупроводниковых приборов (СПП), радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики. Принцип действия этих аппаратов основан на использовании ключевых характеристик СПП, т. е. способности их находиться в двух устойчивых состояниях (проводящем и непроводящем) и быстро переходить из одного состояния в другое по команде или параметрически. В последнем случае изменение состояния происходит при равенстве токов или напряжений на СПП пороговым для них значениям.

Присущие ПЭА особенности и функциональные возможности обусловлены характеристиками СПП, которые составляют основу главных и вспомогательных цепей аппаратов. К наиболее важным характеристикам СПП следует отнести способность осуществления бездуговой коммутации электрических цепей, высокие быстродействие и надежность, повышенный срок службы. Именно эти свойства и достигнутый высокий уровень параметров СПП по току и напряжению определили целесообразность создания не только слаботочных, но и сильноточных ПЭА различного назначения.

Общие для полупроводниковых аппаратов особенности можно выделить при непосредственном их сравнении с традиционными контактными аппаратами.

Полупроводниковые аппараты являются статическими устройствами. В них отсутствуют подвижные части, включая размыкаемые контакты и детали механизмов. Бездуговая коммутация тока в цепи осуществляется за счет резкого изменения сопротивления коммутационных элементов (тиристоры, диоды, транзисторы и др.) от тысячных долей ома до сотен килоом. В результате в ПЭА исключены многие нежелательные явления, характерные для контактных аппаратов: механический износ контактов и других подвижных частей, вибрация, обгорание и сваривание контактов, повышенный шум при коммутационных операциях и выброс раскаленных газов.

Время срабатывания контактных аппаратов -  десятые, сотые доли секунды; частота срабатываний ограничивается инерционностью подвижных систем, разогревом размыкаемых контактов и временем деионизации межконтактных промежутков. Максимальное время включения полупроводниковых аппаратов не превышает 50 мкс. Время отключения ПЭА переменного тока без применения специальных схем принудительной (искусственной) коммутации не более длительности полупериода тока, т. е.   10 мс при частоте  f = 50 Гц. Снабженные блоком искусственной коммутации или выполненные на запираемых тиристорах ПЭА обеспечивают отключение цепей за время 0,5…2 мс при f = 50 Гц. Возможности ПЭА по частоте срабатывания (десятки и даже сотни тысяч в час) можно считать неограниченными, так как они намного превышают потребности в этом.

Важным свойством полупроводниковых аппаратов является многофункциональность. Без изменения структуры силовой части они способны совмещать в себе функции коммутирования и быстродействующей защиты цепей, регулирования напряжения и тока, формирования импульсов напряжения и тока с заданными параметрами.

К другим особенностям ПЭА следует отнести практически мгновенную готовность к срабатыванию, в том числе и при автоматическом повторном включении (АПВ), стабильность характеристик при эксплуатации в сложных климатических условиях и при воздействии механических факторов, возможность использования в сетях различного назначения при замене СПП на другие типы или при изменении класса их по напряжению, технологичность конструкции, высокую надежность, практически не зависящую от обслуживания.

Однако эти аппараты имеют и недостатки.

1) В отличие от контактных аппаратов полупроводниковые аппараты способны выдерживать значительно меньшие перегрузки по току (как по амплитуде тока, так и по длительности его воздействия). Это объясняется малой теплоемкостью СПП. Принципиально возможно достижение высокой перегрузочной способности (Imax/Iн=5…7) в ПЭА за счет использования СПП с заведомо большими предельными токами или параллельного их соединения. Но это приводит к значительному увеличению габаритных размеров, массы и стоимости аппаратов, особенно, если они предназначены для работы в сетях высокого напряжения.

2) Полупроводниковые аппараты очень чувствительны даже к кратковременным перенапряжениям и скорости приложения напряжения. Поэтому необходимо принимать меры, обеспечивающие надежную защиту полупроводниковых блоков от коммутационных и внешних перенапряжений. В большинстве случаев это связано с применением приборов более высокого класса, резервированием их, введением в конструкцию аппарата специальных элементов защиты: демпфирующих RС-цепей, различных ограничителей перенапряжений. Как и при обеспечении защиты от сверхтоков, любое из отмеченных решений усложняет конструкцию аппарата, повышает его стоимость.

3) Существенным недостатком ПЭА являются большие потери электрической энергии и  выделение большого количества теплоты. В основном потери сосредоточены в зоне структур СПП. Они обусловлены физическими процессами в pn-переходах, протекание которых сопровождается падением напряжения в несколько единиц вольт. Уменьшить потери внешними средствами не представляется возможным, поэтому необходимо обеспечивать интенсивный теплообмен СПП с окружающей средой. Обычно это достигается при снабжении приборов специальными охладителями и применении принудительного воздушного или водяного охлаждения.

4) К другим недостаткам полупроводниковых аппаратов относятся существование граничных токов, ниже которых невозможно удержание во включенном состоянии, и наличие достаточно больших (десятки миллиампер) токов утечки при отключенном состоянии. Для обеспечения полного разрыва цепи последовательно с ПЭА необходимо устанавливать контактные устройства.