Диоды и тиристоры — это очень просто. Часть 1. Общие вопросы

№ 1’2012
PDF версия
Инженеры «со стажем», возможно, помнят замечательные книги Е. Айсберга, вышедшие в русском переводе в далеком 1967 г.: «Радио — это очень просто» и «Телевидение — это очень просто». Путь многих хороших специалистов в радиоэлектронике начинался именно с них. Предлагаемая вашему вниманию статья является попыткой возродить хорошую традицию, однако мы не станем вести речь ab ovo и будем считать, что читатель имеет достаточный уровень инженерной подготовки. Тем не менее опыт показывает, что проблемы в отношении выпрямителей возникают даже в совершенно очевидных ситуациях. Например, довольно часто нас спрашивают, почему у стандартных диодов не нормируется частотный диапазон и время обратного восстановления. Ответы на этот и многие другие вопросы можно найти в данном материале.

Все статьи цикла.

Следует учесть, что выпрямительные диоды, не относящиеся к классу «быстрые», как правило, не предназначены для эксплуатации на частотах выше 500 Гц. При этом их динамическими свойствами можно пренебречь только при работе от стандартных промышленных сетей (40–60 Гц); вопрос снижения токовых характеристик при увеличении частоты рассмотрен ниже.

При выборе типа выпрямительного диода для конкретных условий эксплуатации следует учитывать следующие факторы:

  • входное напряжение и пределы его изменения;
  • ток нагрузки, коэффициент и длительность перегрузки при заданных условиях охлаждения;
  • допустимая зона рабочих характеристик (область безопасной работы).

Максимально допустимые значения предельного напряжения, пикового тока и температуры кристалла, приводимые в спецификациях, не должны быть превышены ни при каких условиях эксплуатации, включая перегрузочные. То же самое относится к механическим и климатическим воздействиям, параметрам изоляции, а также требованиям, изложенным в руководстве по монтажу (например, момент затяжки соединений). Исключение в отношении предельного обратного напряжения составляют лавинные диоды, у которых оговаривается мощность рассеяния в режиме пробоя PRSM. Для достижения высоких показателей надежности при расчетах надо принимать во внимание градиент и возможное количество термоциклов, которым подвергается модуль в процессе эксплуатации. Учет режима термоциклирования, вызывающего ускоренное старение модуля, на практике оказывается намного важнее, чем ограничение токовых режимов, приводящих к перегреву кристаллов.

 

Обратное напряжение

У диодов и тиристоров потери проводимости зависят от напряжения в гораздо меньшей степени, чем у MOSFET или IGBT. Следовательно, при выборе класса напряжения следует использовать достаточно большой «коэффициент безопасности», определяющий разницу между блокирующей способностью диода VRRM и максимально возможным рабочим напряжением. В таблице 1 показано, как в общем случае выбирается типовое значение VRRM диодов и тиристоров в зависимости от величины входного линейного напряжения VN.

Таблица 1. Рекомендуемые параметры диодов и тиристоров в зависимости от напряжения сети и схемы выпрямления

Линейное напряжение VN, B

Схема выпрямления

Напряжение холостого хода Vdi, B

Обратное напряжение VRRM, B

110–125

В2

97–110

600

200–240

В2

180–220

800

400–460

В6

540–621

1200–1400

575–690

В6

770–932

1800–2200

Блокирующая способность диода/тиристора не должна быть превышена при любых условиях работы, включая допуска и коммутационные всплески. При выборе класса напряжения необходимо учитывать демпфирующее воздействие входных фильтров, конденсаторов DC-шины (инвертора), а также снабберных элементов и супрессоров. Следует также помнить, что величина VRRM нормируется при +25 °С и имеет положительный температурный коэффициент.

 

Выпрямительные диоды

Стационарный режим работы

Максимальное значение прямого тока выпрямительного диода в продолжительном режиме работы ограничено максимальной температурой кристалла, то есть произведением среднего значения рассеиваемой мощности PFAV и теплового сопротивления Rth(j-a):

PFAV × Rth(j-a)TjTa,

где Tj и Ta — температура кристалла и окружающей среды соответственно.

Основная формула для расчета мощности рассеяния:

PFAV = VFO(TjIFAV + rF(TjIFRMS2.

При типовой форме выпрямленного тока (180° синус, 120° прямоугольник) значение так называемого форм-фактора (соотношение эффективного и среднего значения тока) является величиной постоянной: FI = IFRMS/IFAV.

Таким образом, выражение для PFAV можно привести к виду с одной переменной величиной IFAV:

PFAV = VFO(TjIFAV + rF(TjFI2´IFAV2.

Данная формула является базовой для программ теплового расчета, в частности SemiSel компании SEMIKRON [2, 3, 4, 5], однако необходимо учесть, что существует еще масса характеристик, необходимых для точного анализа режимов и корректного выбора компонента.

Допустимое значение среднего прямого тока IFAV (в процентах от IFAV при Та = 50 С) в зависимости от температуры окружающей среды при заданных в спецификации условиях охлаждения

Рис. 1. Допустимое значение среднего прямого тока IFAV (в процентах от IFAV при Та = 50 С) в зависимости от температуры окружающей среды при заданных в спецификации условиях охлаждения

В спецификациях диодов часто приводятся графики зависимости среднего прямого тока IFAV (в процентах от предельного значения) от температуры окружающей среды (рис. 1). Эпюры, показанные на рис. 2, используются для определения допустимого значения IFAV при определенных условиях охлаждения, или наоборот, для нахождения необходимого режима отвода тепла при заданном токе. Кривые в левой части рисунка заканчиваются при плотностях тока, соответствующих максимальному действующему значению IFRMS, которое устанавливает предел допустимой нагрузочной способности ключа при оптимальном режиме отвода тепла.

Зависимость

Рис. 2. Зависимость:
a) средней мощности рассеяния РFAV от среднего выпрямленного тока IFAV для различных форм сигнала;
б) температуры корпуса Тс от Та при разных значениях теплового сопротивления Rth(c-a)

Пример. 130-А диод в составе трехфазного выпрямителя (схема В6)

При величине выпрямленного тока в длительном режиме, равной 300 А, нагрузка на один диод составляет IFAV = 100 А; форма тока в каждом плече близка к прямоугольной, угол проводимости — 120° (кривая rec. 120). В данных условиях РFAV = 122 Вт, а максимально допустимая температура корпуса диода Тс = +137 °С (голубая линия).

Учитывая коэффициент запаса 25% (красная линия IFAV = 125 А), получим в результате Тс = +120 °С и РFAV = 170 Вт. Для этого случая при температуре охлаждающего воздуха Та = +35 °С максимальное тепловое сопротивление диода «корпус–окружающая среда» Rth(c-a) составляет 0,5 К/Вт. Эта величина включает сопротивление «корпус–радиатор» Rth(c-s) = 0,08 К/Вт, таким образом для радиатора остается Rth(s-а) = 0,42 К/Вт.

Работа в условиях кратковременных периодических перегрузок

Для расчета максимально допустимого тока в условиях переменной нагрузки используется кривая динамического теплового импеданса, определяющая временную зависимость теплового сопротивления Rth. Эта характеристика задается для диода (Zth(j-c)+Zth(c-s)) и радиатора (Zth(s-a)), в технической документации, как правило, приводится суммарная кривая Zth(j-a).

Расчет температуры кристалла в циклическом режиме работы (рис. 3) проводится для рассмотренной выше схемы: выпрямитель В6 с диодами SKN 130 на радиаторе К0.55 проводит 500 А в течение 5 с, после чего ток падает до 60 А. Такой режим наглядно демонстрирует состояние кратковременной перегрузки, поскольку кристалл за 5 с не успевает разогреться до установившегося состояния. Одной из особенностей циклограммы является то, что диод открывается на 500 А сразу по завершении перехода в непроводящее состояние после протекания стационарного тока (60 А). Минимально возможный период повторения цикла, обеспечивающий охлаждение системы, составляет 2 мин.

Мощность рассеяния PFAV (в моменты времени t1 и t2 диод выключается и сразу включается снова)

Рис. 3. Мощность рассеяния PFAV (в моменты времени t1 и t2 диод выключается и сразу включается снова)

При суммарной величине выпрямленного тока 60 А каждый диод проводит 20 А, что соответствует мощности рассеяния 18 Вт. При 500 А нагрузка на диод составляет 167 А, однако для определения величины потерь (прямоугольная форма тока, 120°) мы уже не можем пользоваться кривыми 1b. В данном случае следует применять следующую формулу:

PFAV = VF0×IFAV + r(360°/120°)×IFAV2.

Это выражение обычно приводится в спецификациях, там же дается значение параметров VF0 и rf, которые для нашего случая составляют 0,85 В и 1,3 мОм соответственно:

PFAV = 0,85×167 + 0,0013×3×1672 = 251 Вт.

Кривая изменения рассеиваемой мощности показана на рис. 2, средняя температура радиатора TS рассчитывается с помощью следующих выражений (при Та = +45 °C):

TS = Ta + Rth(s-a) ×(PFAV1×tp1/T + PFAV2×tp2/T);

TS = 45 + 0,55(251×5/120 + 18×115/120) = 60 °C.

Теперь мы можем определить максимальную «виртуальную» температуру кристалла TjM в момент времени t3. Если пауза между непроводящим и проводящим состоянием достаточно мала, к базовому значению PAV (18 Вт) добавляется импульс мощности (251–18) Вт.

Формула

Для получения точных результатов значение динамического импеданса Zth(j-a), определяющего мгновенное изменение температуры кристалла в диапазоне рабочих частот, должно быть добавлено к Zthz. Поскольку добавочное тепловое сопротивление, вызванное пульсациями на сетевых и более высоких частотах (>40–60 Гц), очень мало по сравнению с общим значением Rth, им можно пренебречь, и оно, как правило, не включается в справочные данные диодов. Для тиристоров эта величина должна быть учтена при любых условиях эксплуатации.

Работа выпрямителей на высоких частотах

До 50/60 Гц динамическими потерями диодов можно пренебречь, и тепловой расчет делается только на основе величины рассеиваемой мощности, определяемой током и прямым падением напряжения. Максимальное значение среднего выпрямленного тока определяется по кривой, связывающей его с мощностью рассеяния (Power dissipation vs. forward current), приводимой в технических характеристиках. Если стандартный выпрямительный диод или тиристор работают на более высоких частотах, то предельное значение тока должно быть снижено для исключения перегрева кристаллов, вызванного динамическими потерями. При расчетах можно использовать инженерную методику, согласно которой при F = 50 Гц потери переключения составляют около 2% от статических:

Рsw = 0,02Pcond. Далее с ростом частоты величина Рsw растет линейно, то есть при F = 500 Гц вклад Рsw уже достигает 20%.

Пиковый ток при перегрузке длительностью менее и более 10 мс

При коротком замыкании (КЗ) в цепи нагрузки диод должен выдержать без повреждения ток, ограниченный только импедансом цепи КЗ. Отметим, что работа выпрямителя на незаряженную емкость (типовой режим при включении привода) эквивалентна состоянию КЗ. На рис. 4 показана зависимость тока перегрузки IF(OV) в отношении к предельному значению IFSM при различных уровнях обратного напряжения.

Временная зависимость допустимого тока перегрузки IF(OV) в отношении к предельному значению IFSM при различных уровнях прикладываемого обратного напряжения

Рис. 4. Временная зависимость допустимого тока перегрузки IF(OV) в отношении к предельному значению IFSM при различных уровнях прикладываемого обратного напряжения

Если состояние КЗ прерывается через какое-то время с помощью предохранителя или автомата защиты, то после его срабатывания нагрузка с диода снимается (VR = 0×VRRM). В некоторых случаях ток КЗ ограничивается на уровне, допускающем его протекание в течение некоторого времени без повреждения полупроводникового прибора и других элементов схемы, после чего цепь должна быть разорвана. В этом случае после КЗ к диоду может быть приложено обратное напряжение VR, поэтому перегрузочные характеристики нормируются для трех возможных состояний (рис. 4):

  • VR = 0×VRRM – обратное напряжение отсутствует;
  • VR = 0,5×VRRM – прикладывается половина предельного напряжения;
  • VR = 1×VRRM – прикладывается полная величина допустимого обратного напряжения;

Очевидно, что состояние VR > VRRM является недопустимым.

 

Тиристоры

Стационарный режим работы

Как было указано выше, колебания температуры кристалла тиристора, происходящие на частоте его коммутации, должны учитываться при нормировании предельного значения прямого тока. При изменении угла проводимости ключа на индуктивной нагрузке образуются прямоугольные импульсы, а на активной — полусинусоидальные сигналы переменой длительности.

На рис. 5 показаны диаграммы тока, мощности и теплового сопротивления ITAV, PTAV, Rth, аналогичные кривым на рис. 2. Разница состоит в том, что вместо Rth(c-a) для тиристоров определяется суммарное сопротивление «кристалл–окружающая среда» Rth(j-a). Максимально допустимая температура корпуса модуля (правая часть рисунка) не может быть определена так, как ранее, поскольку она зависит от угла проводимости θ и для каждой кривой будет отличаться. Для ее нахождения используется значение сопротивления «кристалл–корпус» Rth(j-c), которое находится по графикам зависимости от θ, показанным на рис. 6. С увеличением угла отсечки пульсации температуры становятся все более выраженными, амплитуда их колебаний относительно среднего значения Tj(AV) вычисляется на основе среднего значения потерь мощности: PTAV × Rth(jc)(cont).

Среднее значение мощности рассеяния РTAV и средний выпрямленный ток ITAV для различных значений угла проводимости

Рис. 5.
а) Среднее значение мощности рассеяния РTAV и средний выпрямленный ток ITAV для различных значений угла проводимости;
б) допустимая мощность рассеяния PTAV и температура окружающей среды Та для различных значений теплового сопротивления Rth(j-a)

На рис. 6 также приведены значения теплового сопротивления Rth(s-a) радиатора К0.55. В ряде случаев при расчетах общего значения мощности рассеяния следует учитывать потери, создаваемые током управления IG.

Зависимость теплового сопротивления Rth(j-c) от угла проводимости  для регулируемого полусинусоидального сигнала (sin) и прямоугольных импульсов (rec.).

Рис. 6. Зависимость теплового сопротивления Rth(j-c) от угла проводимости  для регулируемого полусинусоидального сигнала (sin) и прямоугольных импульсов (rec.).

Принцип работы с графиками рис. 5 можно пояснить на следующем примере. Допустим, средний выпрямленный ток трехфазного тиристорного моста при максимальном угле проводимости составляет 300 А в режиме естественного охлаждения. Какой тиристор следует выбрать для данного случая, если доступен радиатор с тепловым сопротивлением Rth(s-a) = 0,5 К/Вт при мощности рассеяния 100 Вт?

При предельной нагрузке в 300 А ток че рез один ключ моста не превысит 100 А. В соответствии с графиками (рис. 5а) для прямоугольных импульсов при θ = 120° и ITAV = 100 A максимальное значение рассеиваемой мощности составляет 110 Вт, или примерно 115 Вт с учетом потерь на управление. Диаграммы в правой части рисунка показывают, что при Та = +45 °С величина Rth(j-a) не превысит 0,7 К/Вт (красная линия). По рисунку 6 для прямоугольного тока (θ = 120°) определяем, что Rth(j-с) = 0,137 К/Вт, Rth(с-s) = 0,015 К/Вт, Rth(s-а) = 0,05 К/Вт. Таким образом, суммарное тепловое сопротивление Rth(j-a) = 0,652 К/Вт, что меньше предельного значения 0,7 К/Вт, следовательно, исследуемый тиристорный мост обеспечивает необходимые токовые характеристики.

Как видно на рис. 7, для заданных условий работы (100 A, прямоугольные импульсы θ = 120°) максимальная температура корпуса имеет прогнозируемое значение Tc = +115 °C. Отметим, что кривые на рис. 5 не связаны с рабочей частотой, в то время как графики рис. 6 и 7 справедливы при F = 40–60 Гц. На более высоких частотах тепловое сопротивление на переменном токе приближается к DC-уровню и достигает его при F = 500 Гц. Для обеспечения некоторого запаса надежности кривые рис. 6 не должны применяться на частотах выше 120 Гц.

Зависимость среднего тока ITAV от температуры корпуса Tc для режима DC (cont.), управляемого полусинусоидального тока (sin.) и прямоугольных импульсов (rec.) при различных углах проводимости 

Рис. 7. Зависимость среднего тока ITAV от температуры корпуса Tc для режима DC (cont.), управляемого полусинусоидального тока (sin.) и прямоугольных импульсов (rec.) при различных углах проводимости θ

Тиристоры в дисковых корпусах могут быть рассчитаны на одностороннее (SSC) или двухстороннее (DSS) охлаждение. Диаграммы теплового сопротивления в функции угла проводимости для таких элементов (аналогичные рис. 6) приводятся для обоих вариантов (рис. 8), а кривые, показанные на рис. 5, остаются неизменными.

Динамический тепловой импеданс Zth для вариантов охлаждения SSC и DSC

Рис. 8. Динамический тепловой импеданс Zth для вариантов охлаждения SSC и DSC

Работа в условиях кратковременных периодических перегрузок

Расчет максимально допустимого тока в условиях переменной нагрузки проводится по методике, приведенной выше для выпрямительных диодов. Значение импульсного динамического импеданса Z(th)p, необходимое для вычислений, получается сложением данных из графиков Z(th)t (пример на рис. 8) и дополнительного теплового сопротивления Z(th)z из таблицы на рис. 8. Это добавочное значение позволяет учесть пульсации температуры кристалла на рабочей частоте.

Пиковый ток при перегрузке длительностью менее и более 10 мс

Кратковременные перегрузочные режимы тиристоров нормируются так же, как и для диодов (см. выше). Необходимо учитывать, что при перегреве кристаллов, вызванном токами перегрузки, тиристор может временно стать неуправляемым. В этом случае его можно рассматривать как выпрямительный диод, переходящий в проводящее состояние при приложении прямого напряжения.

Критическая скорость нарастания тока и напряжения

Для надежного функционирования тиристора, как и любого другого силового ключа, ему необходимо обеспечить безопасный тепловой режим. Кроме этого следует учесть, что у тиристоров нормируется предельная скорость нарастания тока (di/dt) и напряжения (dv/dt), превышение которых не допускается ни при каких условиях эксплуатации.

Как правило, для ограничения фронтов напряжения параллельно тиристорам устанавливаются снабберные RC-цепи, которые сами генерируют всплески тока с высокими уровнями di/dt. Вот почему фронты сигнала, создаваемые другими элементами схемы, должны быть намного ниже критического уровня. Даже небольшая RC-цепочка способ на снизить dv/dt до безопасного уровня, что справедливо также для АС-ключей и электромеханических коммутаторов. В инверторах, а особенно четырехквадрантных конвертерах, быстрый спад сигнала при срабатывании тиристора приводит к появлению всплесков напряжения в прямом направлении на ключах в других стойках. Поэтому в подобных схемах рекомендовано применение быстрых тиристоров с высоким значением критической скорости нарастания напряжения (более 1000 В/мкс).

Особенности управления тиристорами

На рис. 9 показаны верхний и нижний пределы характеристик управления 240-А тиристора. Ток и напряжение затвора следует поддерживать в указанной безопасной области, при этом результирующее значение рассеиваемой мощности не должно превышать предельного уровня PGM, нормированного для определенной длительности импульса управления tp. Величины IG, VG (при –40 и +25 °С) и максимально допустимая температура кристалла, так же как и пиковое значение PGM, указаны при длительности пускового импульса 0,1; 0,5 и 8 мс.

Зависимость напряжения затвора VG от тока затвора IG показывает возможный диапазон характеристик управления при различных температурах кристалла Tj

Рис. 9. Зависимость напряжения затвора VG от тока затвора IG показывает возможный диапазон характеристик управления при различных температурах кристалла Tj

Указанный в документации минимальный пусковой ток IGT обеспечивает безопасный процесс включения даже при минимальной рабочей температуре, однако его следует по возможности увеличивать, так же как и dIG/dt. Рекомендуемое значение тока затвора: IG 5IGT при скорости включения не менее 1 А/мкс.

Параметры импульса управления зависят от нагрузочных характеристик схемы. При активной нагрузке надежное включение обеспечивается даже при использовании одиночного короткого импульса tp > 10 мкс, поскольку ток в силовой цепи нарастает быстро. В условиях индуктивной нагрузки этого не происходит, однако если параллельно тиристору установлена снабберная RC-цепь, то разряд конденсатора способствует его включению. Если ее нет, то необходимо увеличивать длительность tp или, что даже лучше, использовать последовательность коротких пусковых импульсов.

 

Тиристорно-диодные модули

Приведенные выше рекомендации по обратному напряжению тиристоров и диодов распространяются и на комбинированные модули, содержащие в одном корпусе силовые ключи обоих типов. Единственная разница состоит в методике выбора радиатора, поскольку в данном случае на одном теплостоке устанавливаются компоненты разного вида. В зависимости от конструкции комбинированного модуля в нем могут находиться от двух до шести и более диодов и тиристоров.

Пример. АС-регулятор

Модуль SKKT 72 используется для регулирования тока 120 А при максимальном угле проводимости. При этом через один тиристор протекает ITAV = 120×√2/Pi = 52 A, или 60 А с учетом рекомендуемого 10% запаса. По красной линии на рис. 10 (ITAV = 60 А) это соответствует мощности рассеяния на один тиристор РTAV = 85 Вт (полусинусоида 180°). При температуре окружающей среды Та = +40 °С и предельном значении Тj = +125 °С максимально допустимое тепловое сопротивление «кристалл–среда» Rth(j-a) = (125–40) °С/85 Вт = 1,0 К/Вт.

Зависимость PTAV от среднего тока ITAV для полусинусоидального сигнала (sin 180)

Рис. 10.
a — Зависимость PTAV от среднего тока ITAV для полусинусоидального сигнала (sin 180),
DC тока (cont.) и прямоугольных импульсов (rec. 15 – 180);
b – зависимость PTAV от температуры окружающей среда Та при различных Rth(j-a).
Все данные справедливы для одного тиристора.

В соответствии с техническими данными, для синусоидального тока (θ = 180°) тепловое сопротивление одиночного тиристора Rth(j-s) = Rth(j-c)+Rth(c-s) = 0,37+0,20 = 0,57 К/Вт, соответственно для радиатора остается Rth(s-а) = 1,0–0,57 = 0,43 К/Вт. При наличии двух тиристоров в корпусе берется половина указанного значения (0,215 К/Вт), таким образом, нам требуется теплосток с сопротивлением ≤ 0,215 К/Вт (один модуль SEMIPACK на радиаторе, или n = 1) при мощности рассеяния Ptot = 2 × 85 = 170 Вт. Относительно величины

Rth(s-a) каждый модуль рассматривается как один источник тепла, как и в случае выпрямительного моста (см. главу «Количество источников тепла»), независимо от количества и типа установленных в нем кристаллов.

Пример. Шестипульсный управляемый тиристорный мост

Три модуля SKKT 72 используются в схеме трехфазного выпрямителя (B6C) при токе 135 А и угле проводимости 90°, то есть нагрузка на тиристор составляет 45 А (50 А с учетом коэффициента запаса). При прямоугольной форме тока (θ = 90°) синяя линия на рис. 10 соответствует мощности рассеяния РTAV = 80 Вт.

С учетом Та = +35 °С тепловое сопротивление на один ключ Rth(j-a) = 1,15 К/Вт, из этого значения следует вычесть Rth(j-с) = 0,41 К/Вт и Rth(с-s) = 0,2 К/Вт.

Таким образом, радиатор должен иметь сопротивление Rth(s-a) = (1,15–0,41–0,20)/6 = 0,09 К/Вт, это относится к трем источникам тепла на одном теплостоке (n = 3). Подобная величина достигается при использовании режима принудительного воздушного охлаждения, например с использованием радиатора Р3/300 (профиль Р3 длиной 300 мм) и вентилятора производительностью 130 м3/ч.

 

Выпрямительные мосты

Мостовые выпрямительные модули содержат в одном корпусе компоненты, необходимые для выпрямления сигнала одно- или трехфазной сети. Как правило, они рассчитаны работу с токами от единиц до сотен ампер. Практически все генерируемое мостом тепло рассеивается через изолирующую DBC-подложку и базовую плату на теплосток.

Требуемое сопротивление теплоотвода Rth(s-a) с добавлением характеристики корпуса Rth(с-s) определяет значение Rth(с-a) на рис. 11. Для заданной величины тока ID и температуры среды Та эта величина может быть определена непосредственно из представленных графиков. На рисунках показано среднее значение мощности рассеяния PVtot в функции выпрямленного тока ID: кривая R относится к резистивной нагрузке, L — индуктивной, С — емкостной для максимальной величины Cmax, заданной в спецификации. Работа с кривыми аналогична процедуре, описанной выше для мощных диодов, разница состоит в том, что в данном случае мостовой выпрямитель рассматривается как один элемент.

Зависимость мощности рассеяния PV от постоянного тока ID для С, R и L нагрузки

Рис. 11.
а) Зависимость мощности рассеяния PV от постоянного тока ID для С, R и L нагрузки;
б) температура корпуса Tc и окружающей среды Ta для различных значений Rth(c-a).
При мощности рассеяния PVtot (левая Y-ось) допустима температура корпуса Tc (правая Y-ось), рекомендуемый коэффициент запаса по прямому току – 20% (IN = 0,8ID).

 

Программа теплового расчета SemiSel

Особенностям программы теплового расчета SemiSel, разработанной компанией SEMIKRON, посвящено много публикаций [2, 3, 4, 5], мы остановимся только на нескольких нюансах, касающихся анализа выпрямительных схем. Для расчета величины рассеиваемой мощности программа использует выражения, приведенные в начале статьи, прямые характеристики аппроксимируются замещающими прямыми линиями (рис. 12). В отличие от IGBT, диоды и тиристоры в мостовых схемах используются при токах, намного превышающих номинальные значения в DC-режиме (ITAV, IFAV), поэтому прецизионная аппроксимация их характеристик представляет особенный интерес. Для вычислений среднего значения потерь на компонент рекомендуется использовать максимальные значения параметров.

Аппроксимация прямой характеристики с помощью замещающих прямых для типовых (y) и максимальных (х) значений

Рис. 12. Аппроксимация прямой характеристики с помощью замещающих прямых для типовых (y) и максимальных (х) значений

Нагрузка выпрямительного моста (Iout на рис. 13) конвертируется программой в токи одиночных диодов, для выпрямителя по умолчанию предполагается их идеальное выравнивание. Однако это соотношение можно изменить, увеличивая эффективное значение форм-фактора, который определяется для токов отдельных элементов моста. Прямая характеристика, используемая для нахождения мощности потерь, является термозависимой, поэтому при расчете SemiSel проводит несколько итераций до наступления установившегося состояния, что позволяет учесть эффект саморазогрева.

Меню SemiSel ввода исходных параметров выпрямительного моста

Рис. 13. Меню SemiSel ввода исходных параметров выпрямительного моста

Средняя температура кристалла Tj определяется на основании расчетных данных о мощности рассеяния:

Tj = PFAV×Rth(j-s) + Rth(s-a)×ΣPn + Ta,

где Pn — потери отдельных компонентов, размещенных на общем теплоотводе. Пульсации температуры на сетевой частоте не рассматриваются, для диодных выпрямителей они учитываются с помощью рекомендуемого минимального запаса по нагреву: Tj = Tj(max) – 10 К.

В тиристорных схемах с очень короткими периодами проводимости и большими амплитудами тока требуется проведение дополнительного анализа, подтверждающего, что предельно допустимое значение Tj(max) не превышено.

Особый интерес представляет расчет потерь и температуры перегрева для режима кратковременной перегрузки по току. Анализ этого состояния проводится аналогично описанному выше, разница состоит в том, что вместо теплового сопротивления используется динамический тепловой импеданс Z(t):

Tj(t) = PV(tZth(j-s)(t) + Zth(s-a)(t)×ΣPv_n(t) + Ta.

Программа SemiSel разбивает импульс перегрузки на n дискретных временных интервалов и рассчитывает температурные характеристики для каждого из них вплоть до n-ного, используя два цикла итерации и начиная каждый раз с момента времени t = 0. В результате данной операции создается временнозависимая температурная характеристика компонента. Для сложных условий эксплуатации, включающих несколько различных режимов, характер изменения нагрузки может быть описан с помощью таблицы user defined load cycle («рабочий цикл, заданный пользователем»).

Выбор типа корпуса и класса напряжения выпрямителя

Рис. 14. Выбор типа корпуса и класса напряжения выпрямителя

В конце анализа программа формирует окно результатов (рис. 15), где указываются результаты расчета мощности рассеяния для каждого компонента и всех модулей, установленных на одном радиаторе. Кроме того, в результирующем меню приводятся данные о температуре радиатора Ts, корпуса Tc и кристалла Tj силового ключа и дается график изменения Tj в режиме кратковременной перегрузки.

Результаты расчета потерь и анализа динамических тепловых характеристик

Рис. 15. Результаты расчета потерь и анализа динамических тепловых характеристик

Если выбор компонента проведен корректно, SemiSel формирует заключение «This configuration works fine». В противном случае программа выдаст замечание «This configuration does not work!», означающее, что превышено рекомендуемое значение +125 °С (Recom mendation by SEMIKRON: Do not use SEMIKRON devices over +125 °C). Это значит, что необходимо изменить условия эксплуатации модуля, поменять его тип (рис. 14) или условия охлаждения (меню Сooling). Эти операции выполняются с помощью контекстного меню, вызываемого нажатием правой кнопки.

Литература
  1. Application Notes for Thyristors and Rectifier Diodes. 2010
  2. Колпаков А. Программа теплового расчета SemiSel // Компоненты и технологии. 2002. № 9.
  3. Колпаков А. Принципы работы и особенности программы теплового расчета SemiSel // Электронные компоненты. 2004. № 6.
  4. Колпаков А. SemiSel — скорая помощь разработчика // Компоненты и технологии. 2006. № 10.
  5. Колпаков А. SemiSel 3.1 — новые возможности, новые перспективы // Силовая электроника. 2008. № 3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory