Главная
База знаний "Allbest"
Физика и энергетика
Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме силового блока полупроводникового аппарата
Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме силового блока полупроводникового аппарата
Полупроводниковое аппаратостроение на основе силовой электроники. Преимущества и недостатки силовых полупроводниковых аппаратов, требования к ним в эксплуатационных режимах. Современная силовая электроника. Разработки силовых полупроводниковых приборов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.06.2014 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2. Высокая рабочая частота (для силовых IGBT - до 20 кГц)
3. Наличие на рынке стандартных блоков управления (драйверов).
4. Динамические потери ниже, чем у IGCT.
5. Наличие изоляции между полупроводниковой структурой и контактной поверхностью (для модульной конструкции).
6. Для таблеточной конструкции двусторонний теплоотвод.
Самые высокие потери во включенном состоянии из всех запираемых СПИ.
Односторонний теплоотвод (для модульной конструкции).
При отказе переходит в режим холостого хода (для модульной конструкции).
Высокая цена.
Мощные полевые транзисторы
MOSFЕТ
1. Малые затраты мощности на управление.
2 Область рабочих частот до мегагерц.
1. Низкое рабочее напряжение - 300-400В.
2. Рабочий ток несколько десятков ампер.
2.4 Технико-экономические возможности применения СПП
Развитие силовой электроники привели к созданию и освоению промышленностью нового поколения силовых полупроводниковых приборов: силовых транзисторов различных видов и запираемых тиристоров. Современные полупроводниковые ключи обладают полной управляемостью, способностью переключать цепи с мощностями выше 1 МВт при высоких значениях напряжений и токов, высоком быстродействии и крайне низком потреблении мощности на управление. На основе нового поколения силовых полупроводниковых приборов стало возможным существенно повысить технико-экономические показатели и расширить функциональные возможности традиционных статических преобразователей: выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты и др. Новое поколение преобразователей частоты позволяет решить задачу практически полной управляемости двигателей переменного тока посредствам реализации законов оптимального частотного управления. В результате проявилась возможность создания эффективных недостающих звеньев между исполнительными органами электромеханических систем и уже достаточно развитыми устройствами информационной микроэлектроники, которые способны перерабатывать огромные потоки информации, в частности в целях управления различными электрическими машинами. Наиболее широкой областью применения полупроводниковых преобразователей является электропривод постоянного и переменного токов, используемый в различных сферах промышленности, энергетики, на транспорте, в коммунальном хозяйстве и др. С помощью средств современной электроники созданы принципиально новые электромеханические преобразователи, работа которых без электронных приборов была бы невозможной. К таким преобразователям относятся шаговые, вентильные двигатели, синхронные генераторы с самовозбуждением и многие другие.
Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы уже очень широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение напряжения в открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии (что обеспечивает малые потери мощности), высокая надежность, значительная нагрузочная способность по току и напряжению, малые размеры и вес, простота в управлении, органическое единство с полупроводниковыми устройствами информативной электроники, что облегчает объединение сильноточных и слаботочных элементов.
Во многих странах развернуты интенсивные научно-исследовательские работы по силовой электронике и благодаря этому силовые полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники, что, в свою очередь, стимулирует научные исследования. Здесь можно говорить о положительной обратной связи в масштабах целой области человеческой деятельности. Результатом является стремительное проникновение силовой электроники в самые различные области техники.
Особенно быстрое распространение устройств силовой электроники началось после создания силовых полевых транзисторов и IGBT.
Этому предшествовал достаточно длительный период, когда основным силовым полупроводниковым прибором был незапираемый тиристор, созданный в 50-е годы прошлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выдающуюся роль в развитии силовой электроники и широко используются в наше время. Но невозможность выключения с помощью импульсов управления часто затрудняет их применение. Десятилетия разработчикам силовых устройств приходилось смиряться с этим недостатком, используя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых схем для выключения тиристоров.
Широкое распространение тиристоров обусловило популярность возникшего в то время термина "тиристорная техника", который использовали в том же смысле, что и термин "силовая электроника".
Разработанные в указанный период силовые биполярные транзисторы нашли свою область применения, но радикально ситуацию в силовой электронике не изменили.
Только с появлением силовых полевых транзисторов и 10 ВТ в руках инженеров оказались полностью управляемые электронные ключи, приближающиеся по своим свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение самых различных задач по управлению мощными электрическими процессами.
Наличие достаточно совершенных электронных ключей дает возможность не только мгновенно подключать нагрузку к источнику постоянного или переменного напряжения и отключать ее, но и формировать для нее очень большие сигналы тока или напряжения практически любой требуемой формы.
Развитие силовой электроники изменяет и сами подходы к решению технических задач. К примеру, создание силовых полевых транзисторов и IGBT существенно способствует расширению области применения индукторных двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллекторные двигатели.
Существенным фактором, благотворно влияющим на распространение устройств силовой электроники, являются успехи информативной электроники и, в частности, микропроцессорной техники. Для управления мощными электрическими процессами используются все более сложные алгоритмы, которые могут быть рационально реализованы только при применении достаточно совершенных устройств информативной электроники.
3. Основные характеристики силовых полупроводниковых проборов по току и напряжению
3.1 Температура полупроводниковой структуры - критерий работоспособности полупроводниковых приборов
Многообразие областей применения силовых полупроводниковых приборов обусловливает необходимость иметь самую полную информацию, характеризующую их возможности. По этой же причине целесообразным является использование для полупроводниковых приборов системы предельных параметров (в отличие от системы номинальных параметров, принятых для электротехнических устройств).
Система предельных параметров характеризует предельные возможности приборов вне зависимости от режимов их работы. Это позволяет разработчику полупроводниковых устройств самому выбирать оптимальные условия работы приборов с учетом требований к технико-экономическим показателям и уровню надежности проектируемого аппарата. В результате коэффициент использования важнейших параметров может быть существенно повышен, что имеет особое значение при необходимости в групповом включении большого числа тиристоров или диодов. Предельные (граничные) параметры приборов, так же как я предельные эксплуатационные условия их работы, ни при каких режимах не должны быть превышены (или занижены).
В интервале предельно допустимых режимов работы свойства полупроводниковых приборов определяются так называемыми характеризующими параметрами. Последние дополняют информацию о характеристиках приборов, раскрывают их взаимосвязь при различных условиях работы; они могут быть измерены непосредственно или косвенно по известной зависимости от других параметров.
В последующем изложении ограничимся рассмотрением только основных параметров и характеристик полупроводниковых приборов, имеющих важное значение при разработке схем полупроводниковых электрических аппаратов.
Температура полупроводниковой структуры является основным критерием работоспособности приборов и стабильности их характеристик в течение всего срока службы. Нижний предел рабочего диапазона температур обусловлен необходимостью ограничения механических напряжений, возникающих из-за различий в коэффициентах линейного расширения отдельных элементов конструкции.
Минимально допустимая температура для силовых диодов и тиристоров отечественного производства составляет минус 40…50°С. Максимальная рабочая темпера тура плюс 125…190°С обусловливается допустимым уровнем снижения выдерживаемого структурой напряжения (без переключения в прямом направлении для тиристоров), а также циклоустойчивостью приборов в повторно-кратковременных режимах нагрузки их током.
Следует иметь в виду, что экспериментальные и расчетные методы определения температуры не позволяют учесть неравномерность разогрева структуры из-за различной плотности тока. Поэтому вводится понятие об эквивалентной температуре полупроводниковой структуры. Этот термин определяет усредненное по площади структуры и во времени значение температуры, измеренной по одному из зависящих от температуры параметров при определении нагрузочной способности полупроводниковых приборов в любых режимах работы.
При установившемся тепловом состоянии взаимосвязь между эквивалентной температурой структуры Тj выделяющейся в ней мощностью и тепловыми характеристиками конструкция прибора выражается зависимостью
где -температура корпуса, измеренная в указанной изготовителем точке;
PУ - суммарные потери мощности;
RB - внутреннее установившееся тепловое сопротивление.
Внутреннее установившееся тепловое сопротивление характеризует свойство конструктивных элементов прибора оказывать сопротивление отводу теплоты, выделившейся в РN-структуре. В соответствии с выражением, оно определяется как отношение превышения температуры полупроводниковой структуры над температурой корпуса к рассеиваемой в ней мощности, т.е.:
На практике для улучшения теплоотвода приборы монтируются на специальных охладителях (радиаторах), которые, в свою очередь, подвергаются интенсивному охлаждению. В этом случае тепловое состояние системы в целом характеризуется общим установившимся тепловым сопротивлением
где
RB - внутреннее установившееся тепловое сопротивление;
Rc-o - тепловое сопротивление контакта между прибором и охладителем;
Rо-а - тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.
При кратковременных или повторно-кратковременных режимах нагрузки приборов током тепловое сопротивление является функцией длительности воздействия импульса мощности электрических потерь. В этом случае тепловое состояние системы "прибор - охладитель" характеризуется переходным тепловым сопротивлением ZT, которое определяется отношением мгновенных значений превышения температуры структуры над температурой окружающей среды Taк выделяемой в импульсе мощности:
Внутреннее переходное тепловое сопротивление соответственно определяется выражением
Экспериментально полученные зависимости переходных тепловых сопротивлений ZT от длительности воздействия импульса мощности при определенных способах охлаждения приводятся в справочных материалах для каждого типа приборов в виде кривых, как это показано на рисунке 3.2.
Они могут быть использованы для расчета нагрузочной способности приборов в любом режиме работы в соответствии с методиками, применяемыми при исследовании полупроводниковых приборов, различают статическую и динамическую вольт-амперные характеристики (ВАХ). [7]
Рис. 3.1 Переходное тепловое сопротивление тиристора Т143-300 при различных скоростях обдува воздухом 1-х =0; 2-х =6 м/с; 3-х =12 м/с
3.2 Характеристики по току и напряжению
Статическая (ВАХ) снимается на постоянном токе по точкам раздельно в прямом в обратном направлениях. При исследовании прямой ветви характеристики каждую точку снимают после установления падения напряжения па приборе. С учетом зависимости падения напряжения от температуры это означает, что последовательно фиксируемые точки (ВАХ) соответствуют различным тепловым состояниям структуры.
Поэтому использование статических характеристик для нагрузочных характеристик приборов по току может привести к значительным погрешностям. Кроме того, чрезмерный разогрев структуры в процессе измерений не позволяет получить прямую ветвь характеристики для больших токов, которые способны кратковременно выдерживать приборы.
Динамическая (ВАХ) устанавливает зависимость между мгновенными значениями протекающего через прибор тока и напряжения на нем. Классификационная динамическая характеристика снимается в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока в угле проводимости 180°.
При снятии прямой ветви характеристики (спрямленной характеристики для тиристоров) фиксируются амплитудные значения анодного тока и падения напряжения. Обычно эти характеристики получают для двух значений температуры полупроводниковой структуры: комнатной (Tj = 25°С) и максимально допустимой для данного типа прибора.
Измерения проводятся с помощью осциллографа в интервале одного полупериода тока. Кратковременность процессов измерения позволяет исключить существенный дополнительный нагрев структуры измеряемым током, поэтому исследуемая характеристика соответствует заданному температурному режиму.
Обратная прямая (для тиристора) ветви (ВАХ), которые соответствуют состоянию низкой проводимости приборов, снимаются также с помощью осциллографа при максимально допустимой температуре полупроводниковой структуры. Они являются базовыми для определения приведенных ниже важнейших эксплуатационных (паспортных) параметров приборов по току и напряжению.
Предельный ток Iп - максимально допустимый средний за период ток, длительно протекающий через прибор в вызывающий предельно допустимый нагрев полупроводниковой структуры при определенных условиях охлаждения. Предельный ток определяет тип прибора и при заданных условиях охлаждения может быть рассчитан по формуле
(*)
где - пороговое напряжение и динамическое сопротивление прибора, определяемые из вольтамперной характеристики (спрямленной ВАХ для управляемых вентилей);
, - максимально допустимая температура полупроводниковой структуры и температура охлаждающей среды.
Параметры и определяются из (ВАХ) проведением аппроксимированной прямой линии, проходящей через точки с ординатами 1,57 и 4,71 предельного тока. Точка пересечения этой прямой с осью напряжений определяет численное значение порогового напряжения, а котангенс угла ее наклона - динамическое сопротивление.
При использовании приборов в условиях, которые не совпадают с классификационным, предельный ток находится по формуле
(**)
где и Та - фактические значения теплового сопротивления и температуры охлаждающей среды; - коэффициент формы тока, равные отношению действующего значения тока к среднему.
Для синусоидальной и прямоугольной формы тока, рассчитанные по выражению (**) зависимости и от температуры охлаждающей среды при различных углах проводимости приводятся в информационных материалах.
Ток утечки ID протекающий через прибор при приложении к нему напряжения в прямом направлении и разомкнутой цепи управляющего вывода. Классификационное значение ID (амплитудное значение), так же как и значение обратного тока IR определяется при максимально допустимой температуре РN-структуры и напряжении, соответствующем классу прибора.
Ток включения IL - наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии непосредственно после переключения его из закрытого состояния в открытое, при прекращении управляющего импульса.
Ток удержания IH - наименьший анодный ток через прибор при разомкнутой цепи управления, при котором он еще находится в открытом состоянии.
Напряжение переключения U (BO) - прямое напряжение, при котором тиристор переключается в проводящее состояние при разомкнутой цепи управляющего вывода.
Максимальное обратное импульсное напряжение U (BR) напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви вольтамперной характеристики, когда даже небольшое приращение напряжения вызывает резкое увеличение обратного тока. Паспортное значение U (BR) определяется при заданном значении допустимого обратного тока.
Определение параметров U (BO) и U (BR) производится при максимальной допустимой температуре полупроводниковой структуры. Конкретные значения их являются исходными данными для определения эксплуатационных параметров приборов по напряжению, приведенных ниже.
Повторяющееся импульсное напряжение UП-наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом (закрытом) направления, с учетом всех повторяющихся напряжений, но с исключением всех неповторяющихся переходных напряжений.
Этот параметр определяет класс прибора по напряжению, численно равный UП/100.
Повторяющееся напряжение UDSM - наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом (закрытом) направлении.
Рекомендуемое рабочее напряжение UDWM - амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, прикладываемого к прибору в обратном (прямом) направлении при отсутствии повторяющихся напряжений.
Прямое падение напряжения UTM - мгновенное значение напряжения на приборе при прохождении через него прямого тока iA. По этому параметру производится разбраковка полупроводниковых приборов. Амплитудное значение падения напряжения при токе, равном р·Iп и Tj=25°С приводится в паспортных данных.
Кроме этих параметров, определяемых непосредственно из классификационных ВАХ, для практических применений приборов необходимо знать следующие параметры по току:
ток рабочей перегрузки Ip. п - ток нагрузки непосредственно после режима с током, меньшим предельного, длительное протекание которого может вызвать превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но который ограничен во времени так, что превышение этой температуры не происходит. В соответствии с определением воздействие на прибор тока рабочей перегрузки не влечет за собой никаких последствий, и поэтому число воздействий этого тока за весь срок службы не ограничивается.
Непосредственно после прохождения тока Ip. п к прибору можно прикладывать полное (повторяющееся) напряжение. Так же, как и предельный ток, ток рабочей перегрузки может быть рассчитан с использованием формул (2.7) в (**). В информационных материалах рабочие перегрузки приборов для случаев предварительной нагрузки их током, разным 0; 20; 40; 60 в 80 % от IП, приводятся в виде зависимостей, показанных на рисунке 3.3;
ток аварийной перегрузки Iа. п - ток, протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, и поэтому воздействие его предполагается лишь ограниченное число раз за весь срок службы прибора. Непосредственно после протекания тока аварийной перегрузки прибор может временно утратить запирающую способность. Это надо учитывать и предусматривать необходимые меры, исключающие повреждение приборов. Приложение напряжения к прибору после протекания Iа. п допускается в пределах 80 % от UП;
Рисунок 3.2 Зависимость максимальной допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности ее воздействия для тиристора Т123-320 (k - отношение тока предварительной нагрузки к предельному току; скорость обдува воздухом = 12 м/с)
ударный неповторяющийся ток ITSM - максимально допустимая амплитуда импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданной начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения напряжения. Ударный ток, а также значение интеграла аварийного тока, дают оценку кратковременной (1…10 мс) перегрузочной способности полупроводниковых приборов, их термической устойчивости. Эти параметры определяют выбор защитных устройств.
3.3 Спрямленная вольтамперная характеристика, параметры
Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуются рядом параметров, определяющих токи и напряжения в прямом и обратном направлениях. Эти параметры определяются вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода (рис.3.3).
Прямая ветвь ВАХ диода характеризуется следующими основными параметрами: Uпр (Iпр) - прямое падение напряжения на диоде, обусловленное прямым током Iпр, Uпор, или Епор - пороговое напряжение или порог выпрямления диода.
Обратная ветвь ВАХ диода характеризуется следующими основными параметрами: Uобр - обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении, Iобр (Uобр) - обратный ток диода, обусловленный приложенным обратным напряжением Uобр,Uпроб - пробивное напряжение диода - значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода.
Рис.3.3 Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода, где Uпр, Iпр - прямое падение напряжения на диоде, прямой ток; Uпор - пороговое напряжение или порог выпрямления диода; Uобр, Iобр - обратное напряжение, обратный ток диод; Uпроб - пробивное напряжение диода
Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше прямое падение напряжения при заданном прямом токе и чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении.
Наклон касательной АБ на рис.3.4 определяет динамическое сопротивление диода в прямом направлении:
Прямая ветвь ВАХ выпрямительного диода характеризуется также дифференциальным сопротивлением: , представляющим собой отношение малого приращения прямого напряжения диода (?Uпр) к малому приращению прямого тока (?Iпр) в нем при заданном режиме по току в прямом направлении.
При расчете и моделировании схем, включающих в себя полупроводниковые диоды, ВАХ диода идеализируют, представляя ее линейной ломаной кривой вида: 1 - идеальный вентиль, 2 - идеализированный вентиль с потерями или 3 - идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления (рис.3.4).
а) б)
Рис.3.4 Реальная ВАХ диода (а) и варианты ее идеализации (б).
Порог выпрямления кремниевых диодов лежит в пределах 0,4 - 0,8 В, а германиевых - 0,15 - 0,2 В. Для низковольтных выпрямителей (выпрямленное напряжение менее 10 В) порог выпрямления кремниевых вентилей составляет заметную часть выходного напряжения, его следует учитывать при выборе схемы выпрямления и при расчетах, выбирая в качестве расчетной модель вентиля с порогом выпрямления. При обратном напряжении вентиль пропускает хотя и малый, но отличный от нуля обратный ток. Этим током, как правило, пренебрегают.
Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков мА до нескольких сотен А и напряжения от десятков В до нескольких кВ. К основным параметрам тиристоров относятся: допустимое значение среднего прямого тока; максимальный постоянный прямой ток;максимально допустимое напряжение; обратный ток тиристора;напряжение и ток удержания. Динамические параметры тиристоров характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения tвкл) и время восстановления запирающих свойств (время выключения tв).
На управляющий электрод подается напряжение, что приводит к росту тока через p-n переход и снижению напряжения включения VB. При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока Iупр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и тиристор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления. Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет суть процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение и ток переключения.
Рис. 3.5 Вольт-амперная характеристика тиристора при различных значениях управляющего
3.4 Взаимосвязь температуры полупроводниковой структуры с потерями и тепловым сопротивлением
Температура полупроводниковой структуры является основным критерием работоспособности приборов и стабильности их характеристик в течение всего срока службы. Нижний предел рабочего диапазона температур обусловлен необходимостью ограничения механических напряжений, возникающих из-за различий в коэффициентах линейного расширения отдельных элементов конструкции.
Минимально допустимая температура для силовых диодов и тиристоров отечественного производства составляет минус 40 - 50°С. Максимальная рабочая темпера тура плюс 120 - 190°С. [10]
Существует два основных метода определения температуры полупроводниковой структуры: графоаналитический и аналитический. В настоящее время для расчета этой температуры наибольшее распространение получил первый метод, который основан на использовании графической зависимости переходного теплового сопротивления прибора от времени.
Рассмотрим некоторые особенности, свойственные этому методу на конкретном примере расчета теплового режима ПП при воздействии на него импульса мощности произвольной формы. Реальная форма импульса мощности (рис. 3.6), рассеиваемая в полупроводниковой структуре, аппроксимируется соответствующей ступенчатой функцией, как показано на этом рисунке пунктиром. При этом площади, ограниченные реальной функцией и ступенчатой, должны быть равны.
Рисунок 3.6 Аппроксимация графика мощности
Для полученной таким образом ступенчатой функции выражение для превышения температуры записывается в следующем виде
и (ti) =PH1 (ri-ri-1) +PH2 (ri-1-ri-2) +…+PHi (ri- (i-1)),
где и (ti) - превышение температуры полупроводниковой структуры ПП вконце i-го элементарного импульса прямоугольной формы (i =1, 2,…5);
ri - переходное тепловое сопротивление, соответствующее интервалу времени ti (определяется по графику теплового сопротивления, приведенному в справочных материалах для рассматриваемого ПП);
ri-k - переходное тепловое сопротивление, соответствующее интервалу времени ti - tk, которое также определяется по указанному графику (k= 1, 2,…4).
При установившемся тепловом состоянии взаимосвязь между эквивалентной температурой структуры ТJ выделяющейся в ней мощностью и тепловыми характеристиками конструкция прибора выражается зависимостью
TJ-TC=?P?RB,
где TC - температура корпуса, измеренная в указанной изготовителем точке;
?P?-суммарные потери мощности;
RB - внутреннее установившееся тепловое сопротивление.
Внутреннее установившееся тепловое сопротивление характеризует свойство конструктивных элементов прибора оказывать сопротивление отводу теплоты, выделившейся в РN-структуре. В соответствии с выражением TJ-TC=?P?RB, оно определяется как отношение превышения температуры полупроводниковой структуры над температурой корпуса к рассеиваемой в ней мощности, т.е.:
На практике для улучшения теплоотвода приборы монтируются на специальных охладителях (радиаторах), которые, в свою очередь, подвергаются интенсивному охлаждению. В этом случае тепловое состояние системы в целом характеризуется общим установившимся тепловым сопротивлением
где
Rc-o - тепловое сопротивление контакта между прибором и охладителем; Rо-а - тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.
При кратковременных или повторно-кратковременных режимах нагрузки приборов током тепловое сопротивление является функцией длительности воздействия импульса мощности электрических потерь. В этом случае тепловое состояние системы "прибор - охладитель" характеризуется переходным тепловым сопротивлением ZT, которое определяется отношением мгновенных значений превышения температуры структуры над температурой окружающей среды Ta к выделяемой в импульсе мощности:
Внутреннее переходное тепловое сопротивление соответственно определяется выражением
Экспериментально полученные зависимости переходных тепловых сопротивлений ZT от длительности воздействия импульса мощности при определенных способах охлаждения приводятся в справочных материалах для каждого типа приборов в виде кривых, как это показано на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 Переходное тепловое сопротивление тиристора Т143-300 при различных скоростях обдува воздухом 1-х =0; 2-х =6 м/с; 3-х =12 м/с
3.4.1 Установившийся режим
При установившемся тепловом состоянии взаимосвязь между эквивалентной температурой структуры ТJ выделяющейся в ней мощностью и тепловыми характеристиками конструкция прибора выражается зависимостью
TJ= TА+ ?P?RТ
При несложной форме длительно протекающего тока расчет электрических потерь производится в средних значениях, т.е.
?Р? =
где Т - интервал времени, за который определяются потери, ua - падение напряжения на приборе, определяемое по его вольтамперной характеристике.
Условно суммарные потери мощности можно разделить на основные ?Ро и дополнительные ?РД:
?Р? = ?Ро+?РД
Основные потери мощности обусловлены падением напряжения на приборе при протекании рабочего тока и при нормальных эксплуатационных режимах работы составляют 95 - 98 % всех потерь.
Дополнительные потери мощности включают в себя:
?РД = ?РD+?РR+?Рg+?Рq +?РG,
где ?РD - потери, связанные с током утечки при приложении прямого напряжения, ?РR - потери от обратного тока утечки, ?Рg и ?Рq - коммутационные потери, зависящие от рабочей частоты, характера нагрузки, формы и амплитуды коммутируемого тока, напряжения питания и температуры нагрева структуры, ?РG - потери в цепи управления.
3.4.2 Переходный процесс
Аналитический расчет суммарных потерь мощности становится практически неприемлемым ввиду чрезвычайной сложности решения уравнений, описывающих переходные процессы в тиристоре при коммутации. В этом случае электрические потери определяют экспериментально, используя график изменения мощности потерь (рис.3.8).
Рис. 3.8 График изменения мощности потерь
С помощью метода суперпозиции проводится расчет температуры полупроводниковой структуры. Из исходного графика p=f (t) получаем ступенчатые график мощности (рис.3.11), который позволяет рассматривать процесс нагрева прибора как суммарный результат воздействия отдельных прямоугольных импульсов мощности, т.е.:
где ZT (n-1) - переходное тепловое сопротивление в момент времени (tn-ti).
Таким образом, интегральное превышение температуры структуры в любой момент времени, в том числе и после воздействия импульса мощности, находится алгебраическим сложением температур, вызванных положительным и отрицательными импульсами мощности потерь.
Рис. 3.9 К расчету нагрева полупроводниковых приборов методом суперпозиции
4. Расчет температуры СПП в заданном эксплуатационном режиме
4.1 Расчетное задание
Исходные данные:
Тиристор ТБ153-800
Сопротивление нагрузки Rн =2 Ом
Температура окружающей среды Та=25°С
Охладитель типовой, охлаждение принудительное, скорость обдува V=12 м/с
Тиристорный аппарат выполнен по схеме рис. 4.1.
Рис. 4.1 Однополюсный тиристорный аппарат переменного тока.
Определить:
Возможна ли перегрузка током полусинусоидальной формы амплитудой Iимп= 6 кА, tимп = 10 мс (рис. 4.2.).
Если нет, то какой ток должен быть в импульсном режиме.
Рис. 4.2 Эксплуатационный режим работы аппарата.
4.2 Расчет температуры в заданном длительном режиме
Температура в длительном режиме
Температура корпуса
Внутреннее тепловое сопротивление
Суммарные потери мощности
Действующее значение тока
Среднее значение тока
Данному току соответствует пороговое напряжение
Дифференциальное сопротивление в открытом состоянии
Тогда суммарные потери равны:
И температура в длительном режиме
4.3 Расчет температуры в импульсном режиме графоаналитическим способом
Если импульсный режим происходит в тиристоре, который работал в длительном режиме, то его температура импульса равна .
Время импульса определим из графоаналитического метода расчета температуры структуры (рис. 4.3).
Заменив полусинусоидальный импульс прямоугольным с той же амплитудой, получаем время импульса .
Переходное сопротивление прии при обдуве скоростью : .
Мощность потерь при импульсе
Напряжение импульса определим из рис.13.19 для заданного тока: .
Тогда
Температура при импульсной нагрузке:
.
Рис. 4.3 Графоаналитический метод расчета температуры структуры.
4.4 Оценка расчетной температуры полупроводникового прибора в эксплуатационном режиме
Чтобы перегрузка была возможна, необходимо, чтобы суммарная температура при длительной и импульсной нагрузках была меньше допустимой: .
В результате расчета суммарная температура получилась: . Суммарная температура получилась меньше допустимой, а значит, перегрузка током импульса возможна.
Заключение
Развитие сверхмощных тиристоров идет по пути увеличения как рабочего тока, так и напряжения. Ток повышается в основном за счет увеличения диаметра полупроводникового элемента, а напряжение - за счет увеличения чистоты и удельного сопротивления кремния. Оба направления ставят трудные задачи перед разработчиками и производителями монокристаллического кремния. Задачи эти решаются достаточно успешно; в принципе, сейчас является коммерчески доступным высокочистый материал, полученный бестигельной зонной плавкой, с диаметром порядка 125 мм. Большим шагом вперед стал переход на кремний, легированный трансмутационным методом в ядерных реакторах, в том числе энергетических на атомных электростанциях; этот метод легирования обеспечивает высокую воспроизводительность и однородность удельного сопротивления кремния. Хороший материал позволяет создать тиристоры с очень высокими параметрами: например, у тиристора фирмы SPSO на кремнии диаметром 125 мм средний рабочий ток более 5кА и напряжение 5кВ, а у тиристора на пластине 53 мм напряжение 9 кВ, также было показано, что на кремнии с удельным сопротивлением примерно 2кОм*см можно получать p-n - переходы с пробивным напряжением 25-30 кВ, и это не является пределом. Предельные параметры ЗТ очень высокие. Например, мощный ОТО фирмы SPCO с диаметром полупроводникового элемента 100 мм имеет максимальный запираемый ток 3 кА (средний рабочий ток 800 А), блокируемое напряжение 6 кВ и время запирания 35 мкс. Предельное напряжение современных IGBT приблизительно 3,3 кВ, предельный размер чипа 1*1 см2, а ток через него 100А.
Однако практически в настоящее время и, видимо, еще несколько лет в будущем, традиционные СПП будут использоваться достаточно широко. Это объясняется тем, что несмотря на успехи высоких технологий, традиционный тиристор примерно в 2 раза дешевле запираемого и в 5 раз дешевле соответствующих по мощности IGBT или IGCT. Поэтому следует ожидать, что две области применения останутся предпочтительными для однооперационных СПП.
Для того чтобы исключить аварийные режимы работы устройств, основанных на применении СПП, необходимо знать причины изменения параметров и допустимые пределы этих изменений. Все отказы, за исключением тех, которые являются следствием дефектов производства, связаны с температурой нагрева элементов конструкции прибора. Причем в большинстве случаев определяющее значение имеет нагрев кремниевой структуры.
Наиболее опасным в отношении возникновения причин, приводящим к отказам, является режим импульсной перегрузки приборов током. Именно в этом режиме проявляется сразу несколько критических факторов, определяющих повреждение СПП. Различным механизмам отказов соответствует не только определенное значение критической температуры нагрева, но и длительность процесса нагрева, определяющая перепад температуры в элементах конструкции или в пределах одного элемента. Превышение предельной температуры может привести либо к временному ухудшению параметров СПП и соответственно к временному неработоспособному состоянию аппарата, либо к необратимому повреждению приборов, вплоть до механического их разрушения.
В результате расчета эксплуатационного режима работы тиристора ТБ153-800 была исследована возможность перегрузки током импульса полусиносоидьной формы временем импульса tимп = 10 мс. Так как суммарная температура длительного и импульсного режима получилась меньше допустимой, значит, тиристор может выдержать данный импульс.
Список использованных источников
1. http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1377/file15211/view153905.html
2. http://proton-electrotex.com/ru/goods/3
3. http://edu. dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/ELEKTROT/UMK_DO/LEK/L7/1_2. htm
4. http://radiofun.ru/tiristors/129.html
5. http://www.gaw.ru/html. cgi/txt/publ/igbt/tiristor. htm
6. http://ru. wikipedia.org/wiki/Биполярный_транзистор_с_изолированным_затвором
7. КукековГ.А., ВасеринаК.Н., Лунин В.П. Полупроводниковые электрические аппараты.
8. Славик И. Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей. Москва: Энергоатомиздат, 1989.
9. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. Москва: Энергоатомиздат, 1992.
10. Сосков А.Г. Усовершенственные силовые коммутационные полупроводниковые аппараты низкого напряжения, 2011.
11. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение параметров силового полупроводникового ключа. Характеристики ключей и режим работы схемы. Расчет предельных характеристик полупроводниковых ключей. Исследование процесса формирования потерь в силовых ключах. Допустимые режимы работы ключей.
конспект урока [1,4 M], добавлен 26.03.2019Выбор силовых полупроводниковых приборов проектируемого выпрямителя. Расчет и выбор элементов пассивной защиты силовых приборов от аварийных токов и перенапряжений и сглаживающего дросселя. Расчет генератора развертываемого напряжения и компаратора.
курсовая работа [732,8 K], добавлен 10.01.2017Физические основы и практические результаты использования проникающих излучений в технологии ядерного легирования полупроводниковых материалов. Их применение в производстве полупроводниковых приборов, мощных кремниевых диодов, тиристоров и транзисторов.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 08.06.2015Описание технологического процесса участка. Расчет и выбор силовых сетей, аппаратов защиты силовых шкафов участка. Мероприятия по технике безопасности, охране труда, окружающей среде. Определение продолжительности ремонтного цикла и межремонтных периодов.
дипломная работа [740,0 K], добавлен 28.05.2023Этапы разработки полупроводникового преобразователя, работающего в выпрямительном и инверторном режиме. Выбор и обоснование схемы соединения вентилей. Основные соотношения, характеризующие трёхфазную мостовую схему трансформатора. Расчёт ударного тока.
курсовая работа [325,0 K], добавлен 08.01.2011Расчет и выбор элементов пассивной защиты силовых полупроводниковых приборов от аварийных токов и перенапряжений. Выбор цифровых и аналоговых интегральных микросхем. Расчет генератора высокочастотных импульсов. Внешняя характеристика выпрямителя.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.04.2012Анализ автоматизированного электропривода. Основные требования, предъявляемые к тахогенераторам. Виды трансформаторов: испытательные, сварочные, автоматические. Особенности электропривода "Трехфазный нулевой выпрямитель". Построение схемы регулятора тока.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 09.04.2012Особенности двухзонной системы регулирования скорости и ЭДС, управляющей возбуждением двигателя. Расчет СУЭП, проектирование функциональной и принципиальной схем привода. Выбор силовых полупроводниковых приборов, коммутационной и защитной аппаратуры.
дипломная работа [220,2 K], добавлен 18.06.2015Электрофизические свойства полупроводников. Структура полупроводниковых кристаллов. Элементы зонной теории твердого тела. Микроструктурные исследования влияния электронного облучения на электрофизические характеристики полупроводниковых приборов.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 18.09.2015Физика полупроводников. Примесная проводимость. Устройство и принцип действия полупроводниковых приборов. Способы экспериментального определения основных характеристик полупроводниковых приборов. Выпрямление тока. Стабилизация тока.
реферат [703,1 K], добавлен 09.03.2007
