МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ИЗВЕСТНОЙ СХЕМЫ ДРАЙВЕРА С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ

MODELING OF TRANSIENT PROCESSES IN THE GATE DRIVE CIRCUIT OF POWER THYRISTORS USING A CONVENTIONAL TRANSFORMER-COUPLED DRIVER CONFIGURATION

Bespalov Nikolay Nikolaevich

Associate Professor of the Department of Electronics and Nanoelectronics, Candidate of Technical Sciences, Assoc., Mordovia State University named after N. P. Ogarev,

Russia, Saransk

Perkov Artem Andreevich

Postgraduate Student, Department of Electronics and Nanoelectronics, Mordovia State University named after N. P. Ogarev,

Russia, Saransk

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты моделирования процесса формирования управляющего тока в силовых тиристорах при применении драйвера с согласующим импульсным трансформатором и дополнительной параллельной RC-цепи, включённой перед управляющим электродом. Для исследования использовалась модель тиристора Т453-800 и среда для моделирования MULTISIM. Проанализировано влияние индуктивности рассеяния на форму импульса, а также изучено, как параметры RC– цепи (R, C) меняют амплитуду, скорость нарастания. Показано, что неправильно подобранная RC– цепь снижает диапазон оптимальных значений скорости нарастания тока управления. Даны практические рекомендации по выбору соотношений R и C в зависимости от целевых характеристик импульса тока управления.

ABSTRACT

The article presents the results of modeling the process of forming a control current in power thyristors when using a driver with a matching pulse transformer of an additional and parallel RC circuit connected in front of the control electrode. The T453-800 model was used for use, and specifically for MULTISIM modeling. The influence of the inductance of the alignment of forces on the market, as well as on the market, as the parameters of the RC– circuit (R, C), which I use in my work, is analyzed. naration. It is shown that an incorrectly selected RC– circuit reduces the range of optimal values of the control current rise rate. These practical recommendations on the selection of appropriate personnel are aimed at ensuring the safety of the hotel's characteristics for the purpose of management.

Ключевые слова: силовой тиристор, драйвер управления, амплитуда и скорость нарастания тока управления, согласующий импульсный трансформатор.

Keywords: power thyristor, control driver, control current amplitude and rise rate, matching pulse transformer.

Введение

Надёжность силовых тиристоров (СТ), применяемых в устройствах силовой электроники в режимах с повышенной скоростью нарастания тока при включении в открытом состоянии di_T/dt – определяется во многом тепловыми процессами, развивающимися в области первоначального включения (ОПВ), ОПВ формируется во вспомогательной управляющей части полупроводниковой структуры СТ с начала момент подачи в цепь его управления (ЦУ) импульса тока управления (ИТУ). При этом чем больше площадь ОПВ, тем ниже удельная тепловая нагрузка в её пределах, а, следовательно, ниже величина локального перегрева ОПВ, что и обуславливает снижение вероятности отказа СТ при указанных режимах работы [1]. Размеры ОПВ существенно зависят от амплитуды управляющего тока I_GM и от скорости его нарастания di_G/dt. Результаты исследования [1], показывают, что наибольшая ОПВ УЭ СТ достигается при I_GM ≥ 1 А и di_G/dt ≥ 1 А/мкс. При значениях I_GM и di_G/dt меньше указанных, площадь ОПВ УЭ СТ заметно уменьшается, что приводит к увеличению локального перегрева ОПВ и увеличивает вероятности отказа СТ [1, 2].   

В большинстве схем, в настоящее время, для управления СТ используются специализированные драйверы. Для гальванической развязки в драйверах между силовой и низковольтной частями схемы применяют согласующие импульсные трансформаторы (СИТ) [3]. В подобных решениях, как правило, используют коэффициент трансформации для СИТ близкий к единице (η_ТР ≈ 1). Необходимость использования СИТ обусловлена тем, что управляющий электрод (УЭ) может находиться под высоким потенциалом относительно ЦУ.

В подобных драйверах зачастую используют шунтирующую УЭ СТ параллельную RC­-цепь [3]. Данная ­цепь предназначена для фильтрации помех в ЦУ УЭ СТ. Номиналы резистора R и конденсатора C выбираются исходя из постоянной времени разряда конденсатор C.

Целью данного исследования является анализ влияния ключевых параметров СИТ и RC-цепи на амплитуду управляющего тока I_GM и скорость его нарастания di_G/dt при формировании импульса тока управления в УЭ СТ.

Разработка схемного решения в программной среде Multisim. На основании ранее проведенного исследования [4], а также схемы, представленной в статье [3], была разработана схема для моделирования процессов в УЭ СТ с различными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) в программой среде Multisim (рисунок 1).

Рисунок 1. Визуализация схемы драйвера управления УЭ СТ в программной среде Multisim

Для задания параметров СИТ использовались значения, приведенные в табличных данных [5]. Были получены значения параметров сопротивления обмоток R_cul= 0,5 Ом и индуктивности намагничивания Lm= 5 мГн. Индуктивность рассеивания Ls изменялась от 1 до 50 мкГн.

Номиналы компонентов RC-цепи в соответствии с [3] были выбраны следующими: величины R4 устанавливались равными 220 и 2200 Ом, а величины конденсатора C1 устанавливались равными 10 и 100 нФ. Напряжение питания было выбрано равным +24 В. При этом амплитуда импульса тока, протекающего в цепи первичной обмотки трансформатора TV, при величине ограничительного резистора R3= 12 Ом устанавливалась равной 2 А.

В качестве нагрузок схемы драйвера использовались эквивалентные схемы УЭ СТ типа Т453-800, которые были сформированы на основании экспериментально полученных значений, приведённых в работе [1]. На рисунке 2 представлены ВАХ УЭ СТ типа Т453-800.

На рисунке 2 представлены два графика для предельных вариантов вольтамперной характеристик УЭ, которые соответствуют минимальному и максимальному значению дифференциального сопротивления r_д для данного типа УЭ СТ.

Рисунок 2. Модели ВАХ УЭ СТ тиристоров типа Т453-800 восстановленные на основе экспериментальных данных тиристоров № 1 и № 2

С учётом этих характеристик в программной среде Multisim были реализованы две расчётные модели ВАХ УЭ. Для модели №1 значение дифференциального сопротивления составило r_д1 = 0,71 Ом, а для модели №2 r_д2 = 3,74 Ом.

Результаты моделирования. На рисунках 3– 5 представлены основные результаты моделирования процессов формирования ИТУ в УЭ СТ. На рисунке 3 представлены зависимости амплитуды тока управления I_GM от индуктивности рассеивания Ls при различных номиналах резистора R4 и конденсатора C1.

Рисунок 3. Зависимости I_GM от L_s СИТ при различных значениях RC–цепи для УЭ СТ с ВАХ №1 и №2

На рисунках 4–5 представлены зависимости нарастания тока управления di_G/dt от индуктивности рассеивания L_s СИТ при различных номиналах резистора R4 и конденсатора C1.

Рисунок 4. Зависимости di_G/dt от Ls СИТ при различных значениях  RC–цепи для УЭ с ВАХ №1

Рисунок 5. Зависимости di_G/dt от Ls СИТ при различных значениях  RC–цепи для УЭ с ВАХ №2

Заключение

Анализ зависимостей, представленных на рисунке 3, показывает, что для обеспечения условия включения СТ I_GM ≥ 1 А при различных сочетаниях значений RC-цепи и различных значениях r_д моделей ВАХ УЭ №1, и №2, величина индуктивности рассеивания Ls может иметь любое значения от 1 до 50 мкГн.

Анализ зависимостей, представленных на рисунках 4 – 5, показывает, что для обеспечения условия включения СТ с di_G/dt ≥ 1 А/мкс при различных сочетаниях значений RC-цепи и различных значениях rд моделей ВАХ УЭ №1, и №2, величина  Ls должна быть не более 9 мкГн. Существенное влияние на величину di_G/dt оказывает конденсатор C1, но при ёмкости равной 100 нФ.

При этом моделирование показывает, что рассматриваемое известное техническое решение драйвера с RC-цепью шунтирующей УЭ СТ [3] практически не оказывает существенного влияния на параметры тока управления СТ, а поэтому  становятся вопросы о целесообразности включения подобной RC‑цепи в схему драйвера или модификации схемы для достижения требуемых параметров тока управления на основе иных технических решений.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проектов № 24-91-19004, https://rscf.ru/project/24-91-19004/ и № 24-91-19005, https://rscf.ru/project/24-91-19005/

Список литературы

1. Методы и аппаратуры для определения качества включения силовых тиристоров при групповом соединении : дис. ... канд. тех. наук : 05.09.03 / Беспалов Николай Николаевич; науч. рук. Е. М. Гейфман; ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва». – Саранск, 2000 – 231 с. – Текст: непосредственный.
2. Плоткина Н. 3. Испытания силовых тиристоров на di/dt-стойкость / Н. З. Плоткина, Ю. Д. Цзин. – Труды НИИПТ: Энергоиздат, 1981. – 74 с. – Текст: непосредственный.
3. Диоды и тиристоры — это очень просто! Часть 5. Управление и защита : сайт. – URL: https://power-e.ru/wp-content/uploads/7404.pdf  (дата обращения 23.02.2026). – Режим доступа: свободный. – Текст : электронный.
4. Беспалов Н. Н., Перков А. А., Саулин С. А. Исследование процесса формирования тока управления силовых тиристоров при применении драйвера с согласующим импульсным трансформатором // Научно– технический вестник Поволжья. – 2025. №4. – С. 32– 35.
5. Импульсные трансформаторы: сайт. – URL: https://betronik.ru/catalog/electronic-components/inductive-components/pulse-transformers/ (дата обращения 23.02.2026). – Режим доступа: свободный. – Текст : электронный.