книги / Силовые полупроводниковые приборы

Та —температура охлаждающей среды.

Тепловое сопротивление переход —корпус определяется в основном площадью полупроводниковой структуры, качеством контактных со­ единений и конструкцией корпуса. Приведенное для R,hJCвыражение от­ носится к прибору штыревой конструкции. Приборы таблеточной кон­ струкции характеризуются тепловыми сопротивлениями переход — анодный вывод корпуса R,kjeA и переход —катодный вывод корпуса R-thjcK- Эквивалентная расчетная схема теплового сопротивления при­ бора таблеточной конструкции показана на рис. 3.24.

В соответствии со схемой

^TAVK

Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах тепловое состояние полупроводнико­ вого прибора характеризуется переходными тепловыми сопротивле­ ниями переход —корпус ,]с и переход—среда Z^tk)tja.

Зависимости Zm ,lc=f(t) приводятся в справочных данных для конкретных типов полупроводниковых приборов. Зависимости*

* Для диодов мощность потерь обозначается PfAV-

61

Z(lh),ja = /(() также имеются в справочных данных, причем они относят­ ся к конкретному типу охладителя. Если прибор работает в сборе с другим охладителем, то переходное тепловое сопротивление пере­ ход —среда

Переходное тепловое сопротивление охладителя Zmilla приводит­ ся в справочных данных на охладители для каждого конкретного типа. При использовании Z(lh)thll в качестве составляющей Zmt]a необходимо для расчетных значений времени t > 1с суммировать его с контактным тепловым сопротивлением Rthch, поскольку при достижении тепловым потоком поверхности охлаждающего устройства в эквивалентную те­ пловую схему включается тепловое сопротивление контакта между корпусом прибора и контактной поверхностью охладителя.

В установившемся тепловом режиме Zflll)tja= Rlh]a.

Имея значения Zm ,ja для конкретных временных интервалов t, можно при известном значении греющей мощности PTAV рассчитать температуру перехода в момент времени t

3.15. УДАРНАЯ МОЩНОСТЬ ОБРАТНЫХ ПОТЕРЬ

Лавинные приборы в процессе эксплуатации могут выдерживать значительные перегрузки по току в обратном направлении. Основной характеристикой перегрузочной способности при этом является удар­ ная мощность обратных потерь PRSM-

Нормируемое значение PRSM устанавливается при максимально до­ пустимой температуре перехода и определенной длительности импуль­ са обратного напряжения (обычно 100 мкс). При испытаниях на при­ бор в обратном направлении подается напряжение, равное напряже­ нию пробоя U(BR), а амплитуда импульсов обратного тока устанавли­ вается из расчета I R = PRSM/U(BR)-

В справочных данных приводятся зависимости ударной мощности

* Строго говоря, значение контактного теплового сопротивления также не­ постоянно во времени. Однако вследствие его незначительности в общем тепло­ вом сопротивлении ,н малой тепловой постоянной времени (при соблюдении требований к оборке и качеству контактных поверхностей) этим можно прене­ бречь в инженерных расчетах.

62

Р А З Д Е Л 4

РАСЧЕТ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ

4.1. МЕТОД РАСЧЕТА

Токовая нагрузочная способность силовых полупроводниковых приборов определяется максимально допустимой температурой пере­ хода, которая не должна быть превышена в любых режимах работы прибора.

Расчет температуры перехода производится по известным значе­ ниям мощности потерь и теплового сопротивления. Метод расчета за­ ключается в следующем [7].

Пусть нужно рассчитать превышение температуры перехода ДTj2 в момент времени t2, если в приборе в течение времени t l выделялась

Учитывая, что на практике имеют место более сложные виды на­ грузки, при которых в расчетных выражениях могут применяться до нескольких десятков значений Р и Z, для упрощения расчетных выра-*

* Далее в этом разделе с целью упрощения мощность потерь обо­ значается Рт, а в конкретных примерах для диодов —PF.

«3

П * . 4.2. Замена импульса мощности произвольной формы эквивалентным импульсом мощности прамоугольной формы

Рис. 4.3. Замена серии импульсов одиночным нмнульсом мощности прямоуголь­ ной формы

жений далее применяют следующие обозначения:

Z(i*)tjc~ Z;

R-lhja — R T ',

7*2*0 _7

В расчетных соотношениях предполагается воздействие прямо­ угольного импульса мощности. Реальная форма для приборов, рабо­ тающих в схемах различных преобразователей электрической энергии, как правило, отличается от прямоугольной. Предполагаемый способ расчета основан на преобразовании импульсов мощности любой формы в прямоугольную [7]. Принцип преобразования показан на рис. 4.2. Преобразованные импульсы мощности (рис. 4.2,6) имеют ту же амплитуду, чгго и реальный (рис. 4.2, а), и то же среднее значение, а их длительность равна Ат, где N = Рт/^тм-

Аналогичное преобразование можно произвести при нагрузке при­ бора сериями коротких импульсов (рис. 4.3). При наличии серии им­ пульсов мощности длительностью т с амплитудным значением Ртм. оиа для расчета температуры перехода может быть заменена одним импульсом с той же амплитудой и длительностью Nr = Рт/Ртм-

Вслучае нагрузки одиночными импульсами произвольной формы

идлительности может быть применен графоаналитический способ рас­ чета. Для использования этого способа необходимы осциллограмма

64

тока и прямая характеристика (характеристика открытого состояния) прибора. Порядок расчета (см. пример 5, § 4.3) следующий:

1. На масштабной бумаге вычерчивается система координат, по осям которой откладываются:

+х —длительность импульса тока в градусах;

+у —мгновенные значения тока в килоамперах;

—х —прямое напряжение (напряжение в открытом состоянии) в вольтах;

—у —мощность потерь в киловаттах.

2.В I квадранте наносится ряд мгновенных значений тока в со­ ответствии с осциллограммой с учетом масштаба и вычерчивается вся кривая тока.

3.Во II квадранте строится прямая характеристика (характеристи­

ка открытого состояния). Обычно эта характеристика берется из ин­ формационного материала на данный тип прибора.

4. При нескольких значениях тока определяются мгновенные зна­ чения тока (I квадрант) и соответствующие им значения прямого на­ пряжения (напряжения в открытом состоянии) (II квадрант). Произве­ дение значений uf (uj) и If (/j) дает ряд значений мощности pF(pj), по которым в IV квадранте строится кривая мощности.

5. Определяется площадь полученного импульса, деление которо­ го на амплитуду импульса мощности дает длительность эквивалентно­ го прямоугольного импульса мощности.

4.2. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ НАГРУЗКИ

Здесь приводятся расчетные соотношения для температуры пере­ хода и допустимой нагрузки при различных режимах работы полупро­ водниковых приборов. Температура перехода определяется по извест­ ной мощности потерь Рт и характеру нагрузки (перегрузки), а допустимая токовая нагрузка рассчитывается исходя из максимально допустимой температуры перехода TJm. При этом в обозначениях приняты упрощения в соответствии с (4.3) и, кроме того, длительность

Рис. 4.4. Мощность нотерь н температура перехода при постоянной про­ должительной нагрузке

Рис. 4.5. Мощность потерь в изменение температуры перехода при про­ хождении одиночного импульса мощности

■ 0 - т ) Z,+ T ~ Z T + Z t

66

Допустимая пиковая мощность потерь при перегрузке

;(Zm + Z T +т) + Z T+t - Z T + Z,

Выражения (4.17) и (4.18) используются при числе импульсов пере­ грузки более пяти.

4.3. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО ТОКА НАГРУЗКИ

Общие выражения для расчета предельного тока были приведены ранее в § 3.4. Выражения (3.1) —(3.3) используются для определения мак­ симально допустимого среднего тока. В большинстве же случаев токо­ вая нагрузка силовых полупроводниковых приборов является импульс­ ной, так что в течение одного периода, особенно при больших амплитудных значениях тока и малых углах проводимости, температу­ ра перехода колеблется в больших пределах, и расчет по среднему зна­ чению тока может привести к большим погрешностям. В этих случаях рассчитывается не среднее значение тока, а его амплитуда. Практика подобных расчетов показывает, что при работе приборов в наиболее распространенных схемах преобразователей электрической энергии с небольшими углами управления и при среднем значении тока, ие превышающем двукратного максимально допустимого, превышение максимума температуры перехода над средним значением составляет 5- 7°С. В этих случаях могут быть применены уравнения (3.3а) —(З.Зв). Для определения максимально допустимого амплитудного значения тока эти уравнения получают вид:

П р н м е р 1. Определить максимально допустимый средний ток в откры­ том состоянии тиристора Т171-250, работающего в трехфазной мостовой схеме выпрямления при температуре охлаждающей среды 50 °С. Угол проводимости 120°, охладитель типа 0181-110, скорость охлаждающего воздуха б м/с.

Из справочных данных t/j-(ГО) = М в ! Гг=0,83 мОм; R,),JC= 0,1 °С/Вт; Rthch = 0,03 °С/Вт; Rthca = 0,23 °С/Вт; Tjm = 125 °С; Аф = 1,73 (для данной схемы выпрямления).

68

По формуле (3.15)

П р и м е р 3 Тиристор ТЛ171-320 работает в однофазной однополупернодной схеме выпрямления. Ток нагрузки I TAV= 150 А, угол проводимости 90°. Ох­

лаждение воздушное принудительное, охладитель 0181-110, скорость воздуха 6 м/с, температура охлаждающей среды 30 °С Определить, через какой проме­ жуток времени тиристор должен быть отключен при возникновении 2,5-кратиой перегрузки по току.

Из формулы (4.15) определяем допустимое значение Zm

Z У - ^ - У у

рТ(ОУ) - рт

Для ТЛ171-320 имеем Uт(Т0) = 0,9 В; гт = 72 • 10_! Ом, R,h]c = 0,685 °С/Вт; Rihch = 0,05 “С/Вт; R,hha = 0,23 °С/Вт; кф = 2,22; TJm = 140 °С; R j - 0,365 °С/Вт.

По графику рис. 12.11,6 находим время t * 1 с, в течение которого может продолжаться перегрузка при достижении температуры I Jm.

П р и м е р 4. Определить допустимую амплитуду тока перегрузки тиристо­ ра Т161-160, работающего в однофазной однополупернодной схеме выпрямле­

69

ния с углом проводимости 180° на частоте 50 Гц, если устройство защиты сра­ батывает через 200 мс после момента возникновения перегрузки; тиристор

+У

Рис. 4.10. Графоаналитический метод расчета (к примеру 5)

70