Расчет тока рабочей перегрузки симисторов (триаков)

а

Валентина Богодерова
Владимир Веревкин

Одной из основных областей применения симисторов являются бесконтактные коммутаторы (ключи переменного тока). Характерной особенностью работы этих устройств является воздействие на симистор при каждом его включении перегрузки по току, величина и длительность которой обусловлена характером нагрузки.

Рекомендуемые методы расчета тока рабочей перегрузки [1, 2], к сожалению, носят общий характер и не позволяют произвести расчет только на основании данных, приводимых в информационных каталогах на симисторы.

Ток рабочей перегрузки I_{T ( OV}) — это ток открытого состояния, который при постоянном протекании вызвал бы превышение максимально допустимой эффективной температуры перехода, но который так ограничен во времени, что эта температура не превышается.

Мощность, рассеиваемая в симисторе, определяется по формуле:

(1)

где U_T(_TO) — пороговое напряжение, r_T — динамическое сопротивление, I_TRMS — эффективное значение синусоидального тока. Из формулы (1):

(2)

Амплитудное значение тока:

Обозначим I_m как ток рабочей перегрузки, то есть

Максимально допустимая мощность, рассеиваемая симистором, зависит от максимально допустимой температуры его перехода, предшествующей нагрузки симистора, температуры окружающей среды и теплового сопротивления симистора и охладителя:

P_m = δTj_m/Z(_{th) t}j_a(t), (4)

где δТ_m — максимальный перегрев перехода от протекания тока перегрузки; t— время протекания тока перегрузки; Z(_{th) tja} (t) — тепловое сопротивление симистора с охладителем в момент времени t, соответствующий длительности перегрузки.

Максимально допустимый перегрев перехода симистора от тока перегрузки при условии, что перегрузке предшествовал ток нагрузки I_предш, определяется по формуле:

δT_jm = T_jm – T_a— P_a(R_thj_a – Z(_{th) tja} (t)), (5)

где Tj_m — максимально допустимая температура p-n-перехода, T_a — температура окружающей среды, kф — коэффициент формы тока, R_{th a} — установившееся тепловое сопротивление симистора с охладителем, а P_a — среднее значение мощности, рассеиваемой от предшествующего тока нагрузки синусоидальной формы, рассчитываемое по формуле:

(6)

Для определения зависимости максимального перегрева симистора δТ_m от рассеиваемой мощности P_m (1) представляем выделяемую мощность в виде прямоугольных импульсов, эквивалентных синусоидальным (рис. 1).

Длительность прямоугольных импульсов тока, эквивалентных по мощности синусоидальным импульсам тока перегрузки, определяется по формуле:

(7)

Здесь

длительность эквивалентного импульса мощности, t_и — длительность синусоидального импульса и

x= (r_TI_m)/U_T(TO). (8)

В зависимости от I_m значение x меняется от 0,5 до 0,64. Берем x = 0,6. Тогда длительность эквивалентных прямоугольных импульсов:

При синусоидальном токе частотой f= 50 Гц длительность импульса t_и = 10 мс. Таким образом, длительность эквивалентного импульсаf06 = 0,6×10 = 6 мс.

Максимальные значения температуры перехода будут в конце n-го эквивалентного импульса, то есть в моменты времени: 6 мс, 16 мс, 26 мс, 36 мс, …, (k –1) t_и + f06 , где k= 1, 2, 3, … — номер импульса по порядку (рис. 1).

Если длительность перегрузки t, то число целых синусоидальных импульсов

= 0,6 t_u.

Например, возьмем длительность перегрузки, равную 30 мс. Тогда число целых синусоидальных импульсов: n = 30/10 = 3.

Третий эквивалентный импульс заканчивается через 26 мс от начала перегрузки. Значит, в этот момент времени перегрев будет максимальным:

Если количество импульсов тока n, то уравнение (9) в общем виде можно записать следующим образом

(10)

Для тока перегрузки, с учетом уравнений (2), (3), (4), (5) и (10), получим:

Для случаев, когда число импульсов n большое (при t≥ 1), тепловое сопротивление прибора можно усреднить по формуле

(12).

Для тока перегрузки с частотой 50 Гц и длительностью больше одной секунды:

(13).

С учетом значений f06 = 6 мс и t = 10 мс уравнение (13) запишется:

δ T_jm = P_m[0,6Z(_th)_t (t)+0,4Z(_th)_t (16)-Z(_th)_t (10)+Z(_th)_t (6)]. (14)

С учетом (14) для величины тока перегрузки I_{Т ( OV}) длительностью больше 1 с получим

(15).

Таким образом, ток рабочей перегрузки можно приближенно рассчитать по формулам (11) и (15), пользуясь зависимостью теплового сопротивления от времени.

В случае, когда ток рабочей перегрузки протекает непосредственно после включения симистора, то есть когда предшествующий ток нагрузки равен нулю —

(16)

Все параметры, необходимые для расчета, приводятся в информационном каталоге на данный тип симистора. Зависимость переходного теплового сопротивления Z от времени t определяется экспериментально и представлена в каталоге на графиках.

Например, график зависимости Z от t для симистора ТС142-80 имеет вид, представленный на рис. 2.

Таким образом, по предложенным формулам можно производить инженерные расчеты тока рабочей перегрузки симисторов. Расчет может быть выполнен на основании данных, приведенных в информационном каталоге [5]. Н

Литература

1. Рабинерсон А. А., Ашкинази Г. А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. М.: «Энергия». 1976.
2. Расчет силовых полупроводниковых приборов / Под редакцией В. А. Кузьмина. М.: «Энергия». 1980.
3. Шпер В. Л. Об эквивалентном импульсе мощности // Электротехническая промышленность: Преобразовательная техника. Выпуск 6 (125). 1971.
4. Кремниевые управляемые вентили — тиристоры / Перевод с английского под редакцией В. А. Лабунцова и А. Ф. Свиридова. М.: «Энергия». 1964.
5. Каталог «Силовые полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, триаки штыревой конструкции на токи 10-125 А». ООО «Элемент-Преобразователь». 2004.

Скачать статью в формате pdf