4. Тепловые режимы и основы теполового расчета силовых полупроводниковых ключей

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

4.1.Потери мощности в ключевых режимах.

Потери энергии в силовых ключах складываются из двух составляющих: статические потери в режимах включенного и выключенного состояний и динамические потери – потери в интервалах коммутации, т.е. переключения из одного состояния в другое. Соотношения между статическими и динамическими потерями зависит от быстродействия ключей и частоты переключений.

Характер изменения тока и напряжения в динамических режимах имеет достаточно сложный характер и существенно зависит от типа полупроводникового прибора. В данном расчете мощности потерь в коммутационных режимов принята упрощенная линейная модель изменения тока и напряжения при включении (рис.20а) и выключении (рис. 20б) ключа.

Здесь t _вкл t _откл - время включения и отключения ключа соответственно.

Согласно принятой модели, в интервале включения изменения тока и напряжения описываются уравнениями

;

Мгновенная мощность потерь в этом интервале равна

Функция p ( t ) имеет максимум в точке удовлетворяющей условию

Величина максимума мощности при включении

Среднее значение мощности потерь в рассматриваемом интервале

В интервале отключения ток и напряжение и мгновенная мощность описываются уравнениями

; ; .

Выражение для мгновенной мощности идентично интервалу включения , поэтому формулы максимальной и средней мощности при отключении принимают аналогичный вид

; ;

С учетом принятой модели на рис.21 приведены графики изменения тока i, напряжения u и мощности потерь p в течение одного полного цикла работы ключа.

Здесь:

Т, t _И, t _П - период цикла, продолжительность импульса и паузы соответстственно;

Р_И ,Р_П - статические мощности потерь в импульсе и в паузе;

Статические потери исчисляются по формуле

P _И = Δ U _вкл I _макс ,

P _П = Е I ₀ ,

где Δ U _вкл – падение напряжения в ключе в включенном состоянии.

Энергия выделяемая в ключе за полный цикл А(Т) его работы равна

А(Т)=Р_ср. t _вкл + Р_ср. t _откл.+ P _И t _И + P _П t _П

Средняя за выделяемая за цикл мощность

Здесь в полной мощности потерь статические потери составляют величину

P _ст. = Δ U _вкл I _макс t _И / T + Е I ₀ t _П / T

Динамические потери равны

Таким образом, динамические потери существенно зависят от частоты переключения ключа, а так же от характеристик быстродействия полупроводникового прибора. Потому для использования в высокочастотных преобразователях в качестве ключей должны использоваться высокочастотные приборы.

5.2.Основы теплового расчета полупроводниковых приборов.

Мощность, выделяемая в ключе, ведет к его нагреву. В структуре полупроводникового ключа наиболее чувствительным к температуре является p - n переход. Максимально допустимая температура перехода Т _{j макс.} , как правило, приводится в справочных данных прибора. При достижении запредельных температур прибор выходит из строя.

Задача теплового расчета состоит в определении температуры перехода Т _j и ее сравнении с допустимой величиной Т _{j макс. .} Исходными данными для теплового расчета составляют расчетные мощности потерь ключа и условия охлаждения прибора, в частности максимальная температура окружающей среды Т_а. При нарушении условия Т _j < Т _{j макс} по результатам теплового расчета определяются требования к охладителю (радиатору) прибора.

Основными типами охлаждения полупроводниковых приборов являются:

- естественно воздушное;

- принудительно воздушное;

- водяное.

При использовании естественного конвективного (воздушного) охлаждении в общем случае в отводе тепла задействованы три составляющие: излучение, теплопроводность и конвекция. Здесь ограничимся упрощенной моделью теплопередачи, в которой учитывается теплопроводность и, в упрощенной форме, конвективный теплообмен между охладителем и средой. В такой модели допустимо использовать тепловые сопротивления R_θ участков на пути теплового потока.

В полупроводниковом приборе тепловыделяющим и, соответственно, наиболее нагретым является кристалл. На рис.21 схематично показаны участки и их тепловое сопротивление на пути теплового потока от кристалла до окружающей среды.

Здесь:

R_θjc -температурное сопротивление между переходом (кристаллом) и корпусом;

R_θcR – температурное сопротивление между корпусом и радиатором;

R_θRa – температурное сопротивление радиатор – среда .

При использовании рассматриваемой модели удобно воспользоваться аналогией между схемой теплопередачи и электрической цепью. В этом случае источник тепловой мощности можно рассматривать как источник электрического тока, а температуру как электрический потенциал. В результате электрический эквивалент приобретает вид представленный на рис.23

Эквивалентное тепловое сопротивление этой схемы равно

R_θ = R_θjc + R_θcR + R_θRa

По аналогии с законом Ома разность температур перехода и среды определяется как падение температурного потенциала

Т _j - T_a = Р_пот. R_θ

Отсюда, при заданном радиаторе, определяется и сравнивается с предельной температура перехода

Т _j = T_a + Р_пот. R_θ ≤Т _jmax.

Если требуется рассчитать или выбрать радиатор, то его тепловое сопротивление выбирается из соотношений

R_θRa = R_θ - R_θjc - R_θcR

Электрическая аналогия тепловых цепей позволят рассчитывать более сложные случаи, например, установку нескольких полупроводниковых приборов на одном радиаторе. На рис. показана расчетная схема для сучая установки двух приборов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники //Электротехника. 1999.N^o2.- С.

2. Галанов В.И. и др. Современные мощные полупроводниковые приборы и их функциональные особенности // Электротехника. 1998. N^o3.- С.48-52.

3. С.Н.Флоренцев, Ф.И.Ковалев Современная элементная база силовой электроники// Электротехника. 1996. N^o4.- С.2-8.

4. Пели Б.З. IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором // Электротехника. 1998. N^o7.- С.16-21.

5. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития силовых IGBT – модулей //Электротехника. 2000.N^o.- С.2-8.

6. Райхман А.Е. POWERTRAIN - современное решение проблем управления электроприводом // Электротехника. 1998. N^o2.- С.57-5.

7. Mangtani V, Dubhashi A. Разработка компактного привода для индукционного двигателя в стиле Plug @ Play // Электротехника. 1998. N^o7.- С.56-60.

8. Ковалев Ф.И., 3. Флоренцев С.Н. Силовая электроника: вчера, сегодня. завтра // Электротехника. 1997. N^o11.- С.2-6.

9. Райхман А. IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором фирмы “International Rectifier”// Электротехника. 1998. N^o1.- С.63-65.

11. Carrol E.,Klaka S.,Linder S. Тиристоры IGTC. Новый подход к сверхмощной электронике // Электротехника. 1998. N^o7.- С.46-53.

12. Макдональд Т., Видмар С. Сравнение характеристик ICBT при использовании в составе изделий”// Электротехника. 1998. N^o3.- С.63-64.13. 13.Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники – М. : Энергия, 1979.-392с.

14. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов.-2-е изд.-М : Высш.школа, 1980.-424с.

15. Семенов Б.И. Силовая электроника.-М.:СОЛОН –ПРЕСС, 2006.

16. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника – М. : Высшая школа, 2005.

17. Щука А.А. Электроника– СПб. БХВ – Петерб. 2005.