4. Тепловой расчет полупроводниковых ключей

1. Потери мощности в проводящем состоянии

(1)

где I_v -длительный средний ток через прибор; u-падение напряжения на приборе в проводящем состоянии.

2. Коммутационные потери для управляемых ключей, работающих с принудительной коммутацией

(2)

где u_k, i_k - коммутируемое напряжение и ток;

t_k - время коммутации ( включения и выключения );

f_n - частота переключений;

E_k - энергия, выделяющаяся в виде тепла

За одну коммутацию, величина E_k , либо ее отдельные составляющие могут указываться фирмой изготовителем в качестве справочных данных, тогда для расчета коммутационных потерь достаточно применить первую формулу (2)

3. Внутренний перепад температуры в приборе

, (3)

где R _tв - внутреннее тепловое сопротивление прибора.

4. Допустимый перегрев поверхности радиатора ( _n ) и требуемое тепловое сопротивление радиатора

(4)

где T_jmax - максимально допустимая температура полупроводникового кристалла.

, (5)

По величине R_t выбирается стандартный радиатор. Если есть соображения в пользу нестандартного радиатора, то необходимо найти требуемую поверхность охлаждения П из зависимости

, (6)

где - коэффициент теплоотдачи, зависящий от охлаждающего агента и скорости его движения, например, при естественном воздушном охлаждении 12 вт/м² С, а при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек величина  в 3 раза выше.

5. Расчет фильтров

1. Если преобразователь является для фильтра источником тока высшей гармоники пульсации I_г ( действующее значение ), то фильтр должен начинаться с параллельной емкости ( рис.4 ). Если сопротивление нагрузки Z_н при этом велико, то этого и достаточно ( рис. 4а ).

а) б)

Рис.4

Емкость фильтра находится по допустимому напряжению гармоники U_г на нагрузке. Полагая, что весь ток I_г уходит в конденсатор, получим:

, (1)

где – частота фильтруемой гармоники.

Если основная гармоника U₀ напряжения нагрузки нулевая, то величина U_г рассчитывается по допустимому коэффициенту пульсации напряжения К_пu:

(2)

Следует учесть, что кроме требований, выдвигаемых нагрузкой , максимальная величина К_пu может ограничиваться также условиями нагрева конденсатора.

Если основная гармоника U₁ напряжения нагрузки первая, то вместо коэффициента пульсации К_пu задают обычно допустимое содержание U^*_г высших гармоник в долях от первой гармоники и тогда

, (3)

Если сопротивление нагрузки фильтра мало, то его необходимо повысить введением в схему фильтра последовательного дросселя L (рис. 1,б). Полагая, что все напряжение U_г приложено к дросселю, получаем требуемую индуктивность из условия

(4)

где I_нг– допустимое содержание фильтруемой гармоники в токе нагрузки.

Величина I_нг определяется аналогично (2) и (3) или по допустимому коэффициенту пульсации тока К_пi

или по допустимому относительному содержанию фильтруемой гармоники

(5)

где – i_н0 и I_н1 основная гармоника тока нагрузки ( нулевая или первая )

Для фильтра рис.1б величина U_г является промежуточной и поэтому может варьироваться в достаточно широких пределах. Чем больше величина U_г, тем меньше емкость фильтра и больше индуктивность. При невысоких требованиях к сглаживанию пульсаций тока в нагрузке, например, если нагрузкой является бортовая сеть, задаются обычно значениями К_пi или U^*_г порядка 0,05, а при высоких требованиях, характерных для контактных сетей, следует принимать эти величины в пределах 0,01-0,02, так как в противном случае дроссель фильтра получится слишком тяжелым.

2. Если преобразователь является для фильтра источником напряжения, то есть задана форма напряжения на его выходе, то схемы фильтров и расчетные соотношения заменяются на дуальные, то есть напряжения надо заменить на токи, емкости на индуктивности, сопротивления на проводимости, параллельное соединение на последовательное и т.д. В частности, две базовые схемы фильтров соответствуют при этом рис. 5

а) б)

Рис.5