3.3. Схемы управления силовыми модулями.

В настоящее время благодаря высокой скорости переключения устойчивости к скорости нарастания напряжения и тока, способности к пиковым перегрузкам и малых мощностях управления в абсолютном большинстве новых силовых полупроводниковых приборах используются МОП – транзисторы и IGBT.

Высокие входные сопротивления таких приборов создали предпосылки для управления ими непосредственно от МОП и ТТЛ интегральных микросхем. В результате быль созданы специализированные интегральные схемы управления ключами силовых электронных преобразователей – драйверы. Такие микросхемы обладают, как правило, высокой степенью функциональной завершенности и являются универсальными.

Современные интегральные драйверы предоставляют возможность раздельного управления всеми ключами силового модуля, содержат элементы индикации ненормированной работы и контроля температуры полупроводниковой структуры, предусматривают также элементы встроенной защиты по току и напряжению. Допускают интерфейс со всеми практически используемыми уровнями входного сигнала.

Широкие функциональные возможности интегральных драйверов позволяют эффективно их применять в преобразователях электрической энергии для электропитания асинхронных и вентильных двигателей, в источниках бесперебойного питания, в высокочастотных импульсных источниках вторичного питания и других силовых устройствах с выходным напряжением до 600 В.

4. ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И ОСНОВЫ ТЕПОЛОВОГО РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ

4.1.Потери мощности в ключевых режимах.

Потери энергии в силовых ключах складываются из двух составляющих: статические потери в режимах включенного и выключенного состояний и динамические потери – потери в интервалах коммутации, т.е. переключения из одного состояния в другое. Соотношения между статическими и динамическими потерями зависит от быстродействия ключей и частоты переключений.

Характер изменения тока и напряжения в динамических режимах имеет достаточно сложный характер и существенно зависит от типа полупроводникового прибора. В данном расчете мощности потерь в коммутационных режимов принята упрощенная линейная модель изменения тока и напряжения при включении (рис.20а) и выключении (рис. 20б) ключа.

I_макс

Рис.20.

Здесь t_вкл t_откл - время включения и отключения ключа соответственно.

Согласно принятой модели, в интервале включения изменения тока и напряжения описываются уравнениями

;

Мгновенная мощность потерь в этом интервале равна

Функция p(t) имеет максимум в точке удовлетворяющей условию

Величина максимума мощности при включении

Среднее значение мощности потерь в рассматриваемом интервале

В интервале отключения ток и напряжение и мгновенная мощность описываются уравнениями

; ;.

Выражение для мгновенной мощности идентично интервалу включения , поэтому формулы максимальной и средней мощности при отключении принимают аналогичный вид

; ;

С учетом принятой модели на рис.21 приведены графики изменения тока i, напряжения u и мощности потерь p в течение одного полного цикла работы ключа.

Здесь:

Т,t_И, t_П - период цикла, продолжительность импульса и паузы соответстственно;

Р_И ,Р_П - статические мощности потерь в импульсе и в паузе;

Статические потери исчисляются по формуле

P_И = ΔU_вкл I_макс ,

P_П = Е I₀,

где ΔU_вкл – падение напряжения в ключе в включенном состоянии.

Энергия выделяемая в ключе за полный цикл А(Т) его работы равна

А(Т)=Р_ср.t_вкл + Р_ср.t_откл.+ P_И t_И + P_П t_П

Средняя за выделяемая за цикл мощность

Здесь в полной мощности потерь статические потери составляют величину

P_ст. = ΔU_вкл I_макс t_И /T + Е I₀ t_П /T

Динамические потери равны

Таким образом, динамические потери существенно зависят от частоты переключения ключа, а так же от характеристик быстродействия полупроводникового прибора. Потому для использования в высокочастотных преобразователях в качестве ключей должны использоваться высокочастотные приборы.

5.2.Основы теплового расчета полупроводниковых приборов.

Мощность, выделяемая в ключе, ведет к его нагреву. В структуре полупроводникового ключа наиболее чувствительным к температуре является p-n переход. Максимально допустимая температура перехода Т_jмакс. , как правило, приводится в справочных данных прибора. При достижении запредельных температур прибор выходит из строя.

Задача теплового расчета состоит в определении температуры перехода Т_j и ее сравнении с допустимой величиной Т_{jмакс. .} Исходными данными для теплового расчета составляют расчетные мощности потерь ключа и условия охлаждения прибора, в частности максимальная температура окружающей среды Т_а. При нарушении условия Т_j < Т_jмакс по результатам теплового расчета определяются требования к охладителю (радиатору) прибора.

Основными типами охлаждения полупроводниковых приборов являются:

- естественно воздушное;

- принудительно воздушное;

- водяное.

При использовании естественного конвективного (воздушного) охлаждении в общем случае в отводе тепла задействованы три составляющие: излучение, теплопроводность и конвекция. Здесь ограничимся упрощенной моделью теплопередачи, в которой учитывается теплопроводность и, в упрощенной форме, конвективный теплообмен между охладителем и средой. В такой модели допустимо использовать тепловые сопротивления R_θ участков на пути теплового потока.

В полупроводниковом приборе тепловыделяющим и, соответственно, наиболее нагретым является кристалл. На рис.21 схематично показаны участки и их тепловое сопротивление на пути теплового потока от кристалла до окружающей среды.

Здесь:

R_θjc -температурное сопротивление между переходом (кристаллом) и корпусом;

R_θcR – температурное сопротивление между корпусом и радиатором;

R_θRa – температурное сопротивление радиатор – среда .

При использовании рассматриваемой модели удобно воспользоваться аналогией между схемой теплопередачи и электрической цепью. В этом случае источник тепловой мощности можно рассматривать как источник электрического тока, а температуру как электрический потенциал. В результате электрический эквивалент приобретает вид представленный на рис.23

Эквивалентное тепловое сопротивление этой схемы равно

R_θ =R_θjc+ R_θcR + R_θRa

По аналогии с законом Ома разность температур перехода и среды определяется как падение температурного потенциала

Т_j - T_a = Р_пот. R_θ

Отсюда, при заданном радиаторе, определяется и сравнивается с предельной температура перехода

Т_j = T_a + Р_пот. R_θ ≤Т_jmax.

Если требуется рассчитать или выбрать радиатор, то его тепловое сопротивление выбирается из соотношений

R_θRa = R_θ -R_θjc-R_θcR

Электрическая аналогия тепловых цепей позволят рассчитывать более сложные случаи, например, установку нескольких полупроводниковых приборов на одном радиаторе. На рис. показана расчетная схема для сучая установки двух приборов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники //Электротехника. 1999.N^o2.- С.

2. Галанов В.И. и др. Современные мощные полупроводниковые приборы и их функциональные особенности // Электротехника. 1998. N^o3.- С.48-52.

3. С.Н.Флоренцев, Ф.И.Ковалев Современная элементная база силовой электроники// Электротехника. 1996. N^o4.- С.2-8.

4. Пели Б.З. IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором // Электротехника. 1998. N^o7.- С.16-21.

5. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития силовых IGBT – модулей //Электротехника. 2000.N^o.- С.2-8.

6. Райхман А.Е. POWERTRAIN - современное решение проблем управления электроприводом // Электротехника. 1998. N^o2.- С.57-5.

7. Mangtani V, Dubhashi A. Разработка компактного привода для индукционного двигателя в стиле Plug @ Play // Электротехника. 1998. N^o7.- С.56-60.

8. Ковалев Ф.И., 3. Флоренцев С.Н. Силовая электроника: вчера, сегодня. завтра // Электротехника. 1997. N^o11.- С.2-6.

9. Райхман А. IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором фирмы “International Rectifier”// Электротехника. 1998. N^o1.- С.63-65.

11. Carrol E.,Klaka S.,Linder S. Тиристоры IGTC. Новый подход к сверхмощной электронике // Электротехника. 1998. N^o7.- С.46-53.

12. Макдональд Т., Видмар С. Сравнение характеристик ICBT при использовании в составе изделий”// Электротехника. 1998. N^o3.- С.63-64.13. 13.Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники – М. : Энергия, 1979.-392с.

14. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов.-2-е изд.-М : Высш.школа, 1980.-424с.

15. Семенов Б.И. Силовая электроника.-М.:СОЛОН –ПРЕСС, 2006.

16. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника – М. : Высшая школа, 2005.

17. Щука А.А. Электроника– СПб. БХВ – Петерб. 2005.

43