Výpočty teplotní bilance a chlazení na výkonových spínacích prvcích

Návod pro cvičení předmětu Výkonová elektronika

Výpočty teplotní bilance a chlazení na výkonových spínacích prvcích Úvod Při provozu polovodičového měniče vzniká na výkonových řídicích prvcích ztrátový výkon. Uvolňuje se ve formě tepla, které se musí odvést z řídícího prvku do okolí, aby nebyla překročena maximální teplota polovodičového čipu. Při překročení dochází k destrukci prvku. Při malých výkonech přestupuje do okolního vzduchu, přes připájené přívody do plošného spoje nebo tepelným vyzářením do okolí. Pokud je ztrátový výkon větší, přistupuje se k montáži přídavných prvků, které zajišťují lepší odvod tepla. Dimenzování těchto prvků je možné určit na základě velikosti a časovém průběhu okamžitého ztrátového výkonu a na dalších okolnostech, jako je typ pouzdra, nebo nutnost elektrického oddělení. Řídicí prvky (většinou jde o diody, tyristory, triaky a různé typy tranzistorů) ve výkonovém zařízení pracují v periodickém režimu, následující příklady budou předpokládat periodickou zátěž. Pro dimenzování je důležité uvažovat ten nejnáročnější případ, je prvek zatěžován největším proudem při největší možné střídě a teplota okolí je maximální. Tehdy se maximální dosažená teplota polovodičového čipu v prvku může blížit maximální povolené, v ostatních situacích je prvek zatěžován méně a teplota polovodičového čipu je nižší a pro prvek výhodnější.

Výpočet ztrát tranzistorů při periodickém obdélníkovém signálu Tranzistory v měničích a střídačích jsou nejčastěji zatěžovány obdélníkovým proudem při konstantní periodě 𝑇, pro provoz je dále uvedena mezní střída 𝐷. Během jedné periody se ztrátová energie při zapnutí 𝑊1 při propustném stavu prvku po čas 𝑡1 , po dobu vypnutí prvku energie při blokovacím stavu 𝑊2 , dále při sepnutí 𝑊𝑜𝑛 a při vypnutí 𝑊𝑜𝑓𝑓 . Celková ztrátová energie během jedné periody: 𝑊𝑝𝑒𝑟 = 𝑊𝑜𝑛 + 𝑊1 + 𝑊𝑜𝑓𝑓 + 𝑊2 Střední ztrátový výkon prvku: 𝑃𝑍𝑎𝑣 = 𝑓 ⋅ 𝑊𝑝𝑒𝑟 Periodický obdélníkový signál s periodou T a střídou D má čas trvání doby sepnutí t1  T  D , a doby vypnutí t 2  T  (1  D)  T  t1 . Při zapnutí teče polovodičovým prvkem proud I s , při vypnutí je na prvku napětí U s . Pokud prvek spíná čistě odporovou zátěž o odporu R L (viz schéma), při vypnutí klesá proud současně s růstem napětí. (analogicky při zapnutí prvku).

a)

b)

a) Spínání odporové zátěže, b) časový průběh napětí a proudu při vypínání odporové zátěže.


Výpočet ztrát při zapnutí nebo vypnutí je možné určit linearizovaného časového průběhu (růst veličiny se povařuje za lineární).

u

US t tf

Příklad linearizace růstu veličiny - napětí

i

IS t  IS tf

Příklad linearizace poklesu veličiny - proud

tf

Výpočet ztráty při vypnutí - W   u S  iS dt , p 0

Woff  

U S  I t  IS  S t f  tf

tf

0

 US  IS t f t dt   6 

Zátěž s výrazně induktivním charakterem s nulovou diodou má schéma a časový průběh napětí a proudu, jde tedy o případ tvrdého charakteru spínání.

a)

b)

Spínání induktivní zátěže tranzistorem: a) schéma, b) časový průběh

Woff  2

toff 2

0

U S  I S  t off US t  I S dt  t off 2

Ztráty při zapínání je možné určit podle stejných vzorců. Přitom je pravidlem, že při odporové zátěži je obdobný průběh při zapínání i při vypínání, tudíž je možné použít vzorec

Won  

tr

0

I S  U t  US  S t f  tf

 U  I t t dt  S S r  6 

Při zátěži induktivní s nulovou diodou je to podobné: ton 2 0

Woff  2

US U  I t t  I S dt  S S on t on 2


Ztráty na spínači při zapnutí závisí na velikosti spínaného proudu a na úbytku napětí na spínači. Při obdélníkové zátěži (ve spínaných měničích je obvykle během sepnutí proud i úbytek napětí konstantní, pokud dochází ke změně, je možné použít průměrnou hodnotu napětí nebo proudu. Spínací tranzistory mohou být bipolární (případně IGBT) nebo unipolární (MOSFET). V prvním případě se velikost úbytku napětí odečítá z grafu v technických specifikacích, který zobrazuje výstupní charakteristiku tranzistoru pro horní mezní teplotu. U tranzistorů MOSFET je při plném sepnutí výstupní charakteristika prakticky lineární, a je dána odporem kanálu rDSon Pro bipolární tranzistory (vč. IGBT) – pro stanovené I S se U S odečte z grafu. Ztrátová energie během periody potom jsou: W1  U S I S t1 Pro tranzistory MOSFET (JFET) je ztrátová energie W1  I S2 rDSont1

Výpočet ztrát diod a tyristorů v usměrňovačích harmonického proudu Diody i tyristory jsou v usměrňovačích zatěžovány periodickým proudem v případě odporové zátěže s tvarem odvozeným od funkce sinus, při induktivní zátěži je tvar obdélníkový. Problematická je filtrace pomocí kondenzátoru, kdy je dioda zatěžována pulzním proudem o šířce odvozené z kapacity filtračního kondenzátoru, parazitního sériového odporu a výstupního proudu. Plocha pulzu se rovná prošlému náboji za periodu pulzů. Pro velké výkony se tato filtrace příliš nepoužívá, protože je zdrojem velkého množství harmonických složek, které zatěžují síť. Navíc filtrace pomocí kondenzátorů nelze použít pro řízený usměrňovač. Proto v tomto návodu nebude filtrace pomocí kondenzátorů dále rozpracovávána. Usměrňovače napájené z rozvodné sítě se dělí na jednofázové, třífázové a vícefázové. Z každé fáze je možné využít jednu nebo obě půlvlny, proto podle počtu fází jsou dále jednofázové usměrňovače jedno nebo dvou pulzní, u třífázových usměrňovačů jsou dále usměrňovače 3 nebo 6 pulzní. Při speciálním napájení je možné realizovat usměrňovače vícepulzní, např. 12 nebo 24. Tyto usměrňovače, přestože jsou nákladné, mají výhodu v minimálním zvlnění a menší přítomností vyšších harmonických v napájecím proudu. Dále se rozlišují uzlová a můstková zapojení, v můstkovém zapojení vedou současně proud dvě diody a ztrátový výkon při úhlu otevření se násobí dvěma, a uzlové zapojení, kdy je zatěžována vždy jen jedna dioda.


pulznost (zapojení)

úhel otevření

střední proud

max. závěrné napětí diody U RRm

2 – uzlové

180°

I Fav  I D / 2

U RRm    U D

2 - můstkové

180°

I Fav  I D / 2

3 – uzlové

120°

I Fav  I D / 3

6 - můstkové

2×60°

I Fav  I D / 3

6 - uzlové (hvězdicový)

60°

I Fav  I D / 6

6 - uzlové nulová tlumivka

60°

I Fav  I D / 6

12 – můstkové

60°

I Fav  I D / 6

U RRm 

U RRm  U RRm 

 2

U D

2 U D 3

 3

U D

U RRm 

2 U D 3

U RRm 

4 U D 3 3

U RRm 

 3

U D

Propustná charakteristika diody a tyristoru se nahrazuje funkcí 𝑢 = 𝑈𝑇0 + 𝑖𝑟𝑇 , kde konstanta 𝑈𝑇0 je definována na grafu a 𝑟𝑇 =

𝑈𝐹1 −𝑈𝐹2 𝐼𝐹1 −𝐼𝐹2

opět z údajů na obrázku. Tyto hodnoty jsou dále uváděny

v katalogových listech. Někdy tyto hodnoty chybí, přesto bývá uvedena mezní výstupní voltampérová charakteristika pro maximální povolenou provozní teplotu přechodu. Hodnoty 𝑈𝐹1 , 𝑈𝐹2 , 𝐼𝐹1 a 𝐼𝐹2 se pak z této charakteristiky dají odečíst. Přitom je nutné respektovat požadovaný rozsah proudu, který prvkem prochází.


Příklad závislosti ztrátového výkonu v závislosti na středním proudu u výkonové usměrňovací diody – uváděné v technických specifikacích výrobku. Střední ztrátový výkon byl určen podle vzorce:

𝑃𝑍𝑎𝑣 = kde: 𝐼𝐹𝑚 =

𝐼𝐹𝑚 [4𝑈𝑇0 sin

𝜓 + 𝐼𝐹𝑚 𝑟𝑇 (𝜓 + sin 𝜓)] 2 4𝜋

𝜋 𝐼𝐹𝑎𝑣 𝜓 2

sin

Proud 𝐼𝐹𝑎𝑣 je střední proud diodou a je rovný stejnosměrné složce, protože se proud v závěrném směru zanedbává. Jeho velikost pro různé typy usměrňovačů je uvedena v tabulce. Při filtraci tlumivkou je průběh proudu diodou obdélníkový. 𝑃𝑍𝑎𝑣 =

𝜓 2 (𝐼 𝑈 + 𝐼𝐹𝑚 𝑟𝑇 ) 2𝜋 𝐹𝑚 𝑇0

kde 𝐼𝐹𝑚 = 𝐼𝐷 Řízené usměrňovače bez filtrace tlumivkou (při filtraci tlumivkou je průběh proudu obdélníkový) 𝑃𝑍𝑎𝑣 Kde 𝐼𝐹𝑎𝑣 =

𝐼𝐹𝑚 (1 + 2𝜋

2 𝐼𝐹𝑚 𝑟𝐹 sin(2𝛼) 𝑈𝑇 𝐼𝐹𝑚 (1 + cos 𝛼) = (𝜋 − 𝛼 + )+ 4𝜋 2 2𝜋

𝑐𝑜𝑠𝛼) a 𝛼 je řídicí úhel tyristoru.


Poznámky při aplikaci chladičů k výkonovým polovodičovým prvkům K odvádění tepla z výkonových polovodičových prvků se používá řada systémů. Ztrátové výkony v řádu jednotek až stovek wattů je možné odvádět pomocí masivních chladičů pasivně chlazených okolním vzduchem. Pokud je okolní vzduch nuceně poháněn ventilátorem, mohou velikosti ztrátového výkonu dosahovat rozsahu několika desítek až jednoho tisíce wattů. Pro ztrátové výkony stovek a tisíce wattů se používají tepelné trubice (při podstatném zmenšení chladicího systému), pro ztrátové výkony až do několika deseti tisíc wattů lze realizovat pouze kapalinovým chladičem a nuceným oběhem chladicí kapaliny. Jeden prvek na chladiči

Prvek na chladiči s vyznačeným tepelným tokem, teplotou jednotlivých částí a tepelným odporem mezi jednotlivými částmi. Potom teplota polovodičového čipu 𝜗𝐽 (°C): 𝜗𝐽 = 𝑃𝑍𝑎𝑣 (𝑅𝑡ℎ𝐽𝐶 + 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 + 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 ) + 𝜗𝐴 teplota základny 𝜗𝐶 (°C): 𝜗𝐶 = 𝑃𝑍𝑎𝑣 (𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 + 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 ) + 𝜗𝐴 a teplota chladiče 𝜗𝐻 (°C): 𝜗𝐶 = 𝑃𝑍𝑎𝑣 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 + 𝜗𝐴 při teplotě okolí 𝜗𝐴 . Pokud se prvky nacházení v integrovaných modulech nebo je na jednom chladiči umístěno více spínacích prvků, je možné prvek nahradit náhradními schématy:


a)

b)

a) 4 prvky v jednom pouzdře (například diodový můstek v jednom pouzdře) dvoupulzním jednofázovém usměrňovači, nebo b) 2 prvky na jednom chladiči (horní a dolní tranzistor jedné větve můstkového střídače) Výpočet oteplení prvků odpovídat příslušnému náhradnímu schématu. Teplota čipu prvku v prvním schématu: 𝜗𝐽1 = 𝑃𝑍1 𝑅𝑡𝑗𝐽𝐶1 + (𝑃𝑍1 + 𝑃𝑍2 + 𝑃𝑍3 + 𝑃𝑍4 )(𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 + 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 ) + 𝜗𝐴 Teplota čipu prvku v druhém schématu: 𝜗𝐽1 = 𝑃𝑍1 (𝑅𝑡ℎ𝐽𝐶1 + 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻1 ) + (𝑃𝑍1 + 𝑃𝑍2 )𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 + 𝜗𝐴 Při výpočtech chladicí soustavy je možné se setkat s úlohou na výpočet maximální teploty polovodičového čipu, nebo požadovaný teplotní odpor chladiče, nebo výběr takového prvku nebo jeho výkonového režimu, aby teplota jeho polovodičového čipu nepřesáhla povolenou mez. Výpočet pak prakticky proběhne tak, že se navržené vzorce upraví podle hledaného parametru, nebo častěji se použijí všechny uvedené metody v kombinaci, aby se nalezlo optimální řešení. Při zajištění bezpečnosti měniče se často používají mezi spínací prvek a chladič izolační podložka (slídová nebo silikonová) s definovaným tepelným odporem, který se připočítává k hodnotě 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 . Na základě empirického měření je možné samotnou hodnotu 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 při použití tepelně vodivé vazelíny stanovit 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 = 2 K/W při styčné ploše 1 mm2. Úkoly: 1) Pro obdélníkový průběh proudu s 𝐼𝐷 = 5 A, napětí při vypnutí 𝑈𝐷 = 200 𝑉, střídu 𝐷 = 0,8, vypínací časy 𝑡𝑟 = 25 𝑛𝑠, 𝑡𝑓 = 25 𝑛𝑠 a frekvenci 𝑓 = 100 kHz určete celkové ztráty u tranzistoru MOSFET s 𝑟𝐷𝑆𝑜𝑛 = 0,85 Ω při odporové i induktivní zátěži, proud při vypnutí se zanedbává. 2) Pro diody s 𝑈𝑇0 = 0,75 V, a 𝑟𝐹 = 0,0035 Ω zapojené ve šestipulzním můstkovém usměrňovači s výstupním proudem 𝐼𝐷 = 120 A určete ztrátový výkon.


3) Řízený dvoupulzní usměrňovač je osazen tyristory s parametry náhradní charakteristiky 𝑟𝐹 = 0,025 Ω, a 𝑈𝑇0 = 1,15 V má při výstupním proudu 𝐼𝐷 = 36 A úhel otevření 𝛼 = 35°. Určete ztrátový výkon na tyristoru. 4) Tranzistor v pouzdře TO220 má tepelný odpor 𝑅𝑡ℎ𝐽𝐶 = 1 K/W, a je zatěžován ztrátovým výkonem uvedeným v úloze 1. Z internetového katalogu firmy Fischer Elektronik vyberte vhodný chladič určený přímo pro pouzdro TO220 nebo použijte dostatečně dlouhou část profilového chladiče uvedeného v příloze. 5) Diody z úlohy č. 2 jsou umístěny modulu, kdy každá dioda má vůči pouzdru tepelný odpor 𝑅𝑡ℎ𝐽𝐶 = 0,89 K/W. Přechodový odpor mezi základnou modulu a chladičem uvažujte 𝑅𝑡ℎ𝐶𝐻 = 0,033 K/W. Určete potřebnou délku chladiče uvedeného v příloze, případně zvolte jiný chladič z katalogové nabídky firmy Fischer Elektronik.

Příloha

Příklad profilového chladiče s uvedenou závislostí tepelného odporu 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 na délce. (a) varianta pro pouzdra TO 220)

Příklad profilového chladiče s uvedenou závislostí tepelného odporu 𝑅𝑡ℎ𝐻𝐴 na délce. (b)varianta pro výkonové moduly – diodové a transformátorové můstky)

Výpočty teplotní bilance a chlazení na výkonových spínacích prvcích

Recommend Documents