3. Расчет температуры p-n перехода вентиля в установившемся режиме

Температура p-n перехода фактически является важнейшим параметром, определяющим нагрузочную способность вентиля. Поэтому только расчет температуры перехода дает объективное представление о возможности работы прибора в заданном режиме, т.е. о правильности выбора вентиля.

При работе в полупроводниковых приборах происходят потери мощности, что приводит к повышению температуры полупроводниковой структуры.

Различают несколько составляющих мощности потерь в силовых вентилях:

• мощность основных потерь P_AV, обусловленную протеканием силового тока;

• мощность дополнительных потерь, обусловленную потерями за счет протекания прямого и обратного тока утечки , потерями при коммутациях (включении и выключении) и потерями от протекания тока управления.

На низких частотах до 400 Гц основные потери являются определяющими, а дополнительные потери могут быть учтены поправочным коэффициентом К_доп = (1,03 - 1,1). Минимальное значение коэффициента выбирается для неуправляемых выпрямителей, работающих на частоте 50 Гц, максимальное - для управляемых на частоте 400 Гц.

Для определения средней мощности основных потерь в силовых полупроводниковых приборах используется уравнение:

P_AV = U_(TO) I_AV + К r_(T) , (1)

где U_(ТО) и r_(T) - пороговое напряжение и динамическое сопротивление вольт-амперной характеристики прибора в открытом состоянии; К_ф = I_RMS / I_AV - коэффициент формы тока, определяемый для конкретной схемы выпрямителя и заданного угла регулирования расчетным путем или по графику в [1].

Действующее и среднее значение тока, I_RMS и I_AV соответственно, можно получить интегрированием тока вентиля с учетом границ интегрирования а и b:

, .

Границы интегрирования и коэффициент К определяются для конкретной схемы выпрямителя по таблице 2.

Таблица 2.

	Однофазная мостовая	Трехфазная мостовая	Кольцевая
a
b
К	1	2	1

Таким образом, полная мощность потерь в вентиле на низких частотах определяется выражением:

P_tot = К_доп P_AV.

Потери в тиристорах и диодах, работающих на высоких частотах(f>400Гц), определяются по специальным характеристикам, приводимым в справочных материалах. Это связано с тем, что на высоких частотах преобладающими являются потери при коммутациях, которые не могут быть рассчитаны по простым формулам. Характеристики обычно определяют энергию потерь от протекания через прибор единичного импульса тока синусоидальной или трапецеидальной формы в зависимости от его длительности, амплитуды и крутизны фронтов.

Средняя мощность потерь на высоких частотах определяется:

P_AV = E_tot f ,

где E_tot - суммарная энергия потерь в приборе от протекания единичного импульса тока, определенная по характеристикам; f - частота следования импульсов.

Эффективная температура структуры вентиля в установившемся тепловом режиме может быть определена с достаточной для инженерных расчетов точностью по формуле:

T_j = T_a + P_tot ,

где T_a - температура охлаждающей среды.

Если температура структуры в длительном режиме работы удовлетворяет условию T_j T_jm, вентиль выбран правильно. Для надежной работы вентиля при перегрузке желательно иметь запас по температуре 20 - 30^оС. Чем больше запас по температуре, тем дольше вентиль сможет выдержать ток перегрузки до момента выхода его из строя. Однако, если запас очень велик (T_jm - T_j > 50^oC), то вентиль будет недоиспользоваться по току, что приведет к неоправданному удорожанию всего вентильного блока.