Расчет условий охлаждения силовых полупроводниковых вентилей выпрямителя

В процессе работы мощных выпрямителей, которые осуществляют питание электродвигателей электроприводов постоянного тока, требуется отводить тепло от силовых вентилей при прохождении по ним тока и обеспечивать их надлежащее охлаждение с целью сохранения надёжной работы выпрямителя.

При расчёте требуется оценить мощность рассеяния тепловой энергии на силовом вентиле, сделать выбор условий отвода тепла и выполнить расчёт параметров охладителя. Для реализации поставленных задач использованы [3, 4, 7].

Различают четыре основных режима работы силовых полупроводниковых вентилей:

а) статический или длительный режим.

Этот режим имеет место при неизменном или изменяющемся в малых пределах (до 20%) прямом токе (его среднее или действующее значение) через силовой вентиль (диод или тиристор), под действием которого вентиль может нагреться до допустимой температуры за время с учётом условий охлаждения. Так при естественном охлаждении время ~ 2000 с, а при принудительном охлаждении составляет до 600 с в зависимости от скорости обдува воздухом охладителя;

б) повторно-кратковременный режим.

Этот режим имеет место при изменяющемся дискретно от нуля до максимума токе или напряжении с циклической последовательностью. Состояние вентиля определяется значением эквивалентной температуры его полупроводниковой структуры, диапазоном её изменения и числом тепловых переходов. При этом время прохождения тока и время паузы меньше ;

в) импульсный или кратковременный режим.

Этот режим характеризуется большой скважностью импульсов тока, и нагрев вентиля определяется мгновенным значением температуры его полупроводниковой структуры и локальным перегревом горячих точек. Здесь

и ;

г) ждущий режим.

Этот режим имеет место тогда, когда вентиль находится в непроводящем состоянии при приложенном постоянном или переменном напряжении. Нагрев вентиля в данном случае определяется локальным перегревом полупроводниковой структуры током утечки при приложении обратного напряжения к диоду и током закрытого состояния при приложении прямого напряжения к тиристору.

Таким образом, при выборе условий охлаждения необходимо рассчитать тепловые параметры с учётом особенностей режима работы вентиля по мощности потерь, возникающих при прохождении тока и выделяемых в небольшом объёме полупроводниковой структуры вентиля. Кроме этого, необходимо проанализировать прохождение теплового потока через несколько слоев разнородных материалов металлов до выхода его в окружающую среду.

Известно [4], что термоэлектрические процессы определяются не только выделяющейся в вентиле мощностью, но и системой охлаждения.

Анализ теплоэлектрических процессов в системе вентиль-охладитель - окружающая среда основывается на аналогии между уравнениями теплопередачи и законом Ома для электрической цепи [4]. В соответствии с моделями подобия отвод тепла от источника выделяющейся мощности рассматривается как протекание потока этой мощности от более высокого температурного потенциала Tj к более низкому потенциалу , (АТ= Tj ,) через сечение теплоотвода S [7]. В результате коэффициент теплопередачи системы , Вт/К-см², определяется соотношением

	(6.1)
Для характеристики теплопередающих свойств отдельных участков тепловой цепи введено понятие теплового сопротивления, получаемое из уравнения (6.1)	(6.2)

где - коэффициент теплоотдачи отдельных участков тепловой цепи в окружающую среду.

Для системы вентиль-охладитель-окружающая среда термоэлектрическую эквивалентную схему можно представить в виде разветвленной цепи прохождения теплового потока от источника выделяемой мощности до окружающей среды с температурой (рисунок 6.1).

 

Рисунок 6.1 – Термоэлектрическая эквивалентная схема вентиля с радиатором:

- средняя мощность рассеяния на кристалл вентиля; s w:val="28"/><w:lang w:val="EN-US"/></w:rPr><m:t>T</m:t></m:r></m:e><m:sub><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:fareast="Times New Roman" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>j</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> - температурный потенциал перехода кристалл-корпус вентиля; s w:val="28"/></w:rPr><m:t>Рў</m:t></m:r></m:e><m:sub><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:fareast="Times New Roman" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>РЎ</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> - температурный потенциал корпуса; s w:val="28"/></w:rPr><m:t>Рў</m:t></m:r></m:e><m:sub><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:fareast="Times New Roman" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>S</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> - температурный потенциал среды; - выравниватель р температурного потенциала к ОК; - тепловое сопротивление корпус вентиля-среда; - тепловое сопротивление охладитель-среда: - тепловое сопротивление кристалл р внтиля-корус; - тепловое сопротивление корпус вентиля-охладитель.

Для выбранного типа вентиля при известных параметрах рабочего режима дополнительно необходимо подобрать тип радиатора, его материал, положение вентиля в нём, а также установить требования на условие сборки вентиля с охладителем. Для выполнения этих требований необходимо иметь значения максимально допустимой температуры перехода кристалл вентиля-корпус, т.е. (К) и типовые значения теплового сопротивления s w:val="28"/></w:rPr><m:t>R</m:t></m:r></m:e><m:sub><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:fareast="Times New Roman" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>Оёc-5</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> установившемся статическом режиме корпус вентиля-охладитель (таблица 6.1).

Если известны указанные выше параметры, то можно определить показатели отдельных элементов эквивалентной схемы. Так, полное эквивалентное тепловое сопротивление между кристаллом вентиля и внешней средой находим из соотношения

(6.3)

Согласно эквивалентной схеме замещения (рисунок 6.1) это сопротивление определяется равенством

(6.4)

 

Таблица 6.1 - Типовые значения теплового сопротивления корпуса вентиль - охладителя

Тип корпуса	Материал изолирующей прокладки	к/Вт
с селиконовой смазкой	без селиконовой смазки
ТО-3	Без изолирующей проклад­ки: фторопласт - 4 мкм (тефлон) слюда (50-100 мкм)	0,1 0,7-0,8 0,5-0,7	0,3 1,25-1,45 1,2-1,5
ТО-66	Без изолирующей проклад­ки: слюда (50-100 мкм) пластик(50-100 мкм)	0,15-0,2 0,6-0,8 0,6-0,8	0,4-0,5 1,5-2,0 1,2-1,4
ТО-220АВ	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,3-0,5 2,0-2,5	1,5-2,0 4,0-6,0
ТО-3Р(L)	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,1-0,2 0,5-0,7	0,4-1,0 1,2-1,5

 

Так как обычно температура корпуса выше температуры окружающей среды, то можно использовать выражение

(6.5)

где можно взять из справочных данных на полупроводниковые приборы [3-6].

В случае малой мощности рассеяния , Вт, когда охладитель практически не нужен (и велико), получим

	(6.6)
Если охлаждение вентиля идет в основном за счет радиатора, т.е. тепловое сопротивление велико, то получим	(6.7)

Для радиатора в виде плоской прямоугольной пластины с вентилем, расположенным посредине радиатора, при температуре окружающей среды 45 и отсутствии рядом других источников тепла площадь поверхности охлаждения [3]

(6.8)

где - толщина основания охладителя; - поправочный коэффициент на расположение радиатора в изделии; - коэффициент теплопроводности, Вт/К*см.

Определив по известным параметрам - (таблица 6.2), (таблица 6.3), - и , можно определить линейные размеры охладителя, считая, что форма радиатора прямоугольная.

 

Таблица 6.2 - Коэффициент теплопроводности - материалов охладителя и прокладок при 350 К

 

Элемент	Материал	, Вт/К*см
Радиатор	Алюминий Медь Латунь Сталь	2,08 3,85 1,1 0,46
Прокладка	Слюда Оксид бериллия	0,006 2,1

 

 

Таблица 6.3 - Значения поправочного коэффициента положения охладителяи состояния его поверхности

Положение охладителя	Состояние поверхности
блестящая	Черненая
Вертикальное Горизонтальное	0,85 1,0	0,43 0,5

 

Чтобы увеличить эффективность охлаждения, т.е. уменьшить тепловое сопротивление , используют ребристые радиаторы. Для такого охладителя в зависимости от и по кривым (рисунок 6.2) можно выбрать длину одного радиатора (рисунок 6.3) и уточнить влияние обработки поверхности охладителя на его размеры.

Рисунок 6.2 – Характеристики типового охладителя:а) –анодированная поверхность; б) – черная матовая поверхность

Пример расчета параметров охладителя для силового вентиля.

Необходимо выбрать охладитель к тиристору Т-133-320-9 таблеточного типа при работе его импульсном режиме с длительностью включенного состояния Коэффициент заполнения δ=0,1. Пиковое значение мощности рассеяния в импульсе . Температура окружающей среды не более .

Рисунок 6.3 – Зависимость теплового сопротивления охладитель-среда от длины охладителя для черной матовой поверхности

Решение:

1. Выберем дополнительные справочные данные для принятого типа тиристора. Максимальное значение среднего тока для открытого состояния ; импульсное напряжение на вентиле в открытом состоянии [7], т.е. мощность рассеяния без радиатора не должна превышать . Следовательно, необходим охладитель, поскольку . Конструкция тиристора согласно [6, рисунок П.43] предполагает использование радиатора для тиристора таблеточного типа.

Тепловое сопротивление переход-корпус в статическом режиме составляет 0,06°с/вт [6; с.86 и 87]. По другим данным в [7, таблица 6] значение и тепловое сопротивление контакта корпус тиристора-охладитель , при этом предполагается использование радиатора типа Т1112 с усилием сборки (10000⁺¹⁰⁰°) Н для диаметра контактной поверхности охладителя тиристора 50 мм. Однако согласно конструкции Т133-320-9 этот диаметр - 30 мм. Здесь необходимо отметить, что этот тиристор охлаждается с двух торцевых поверхностей, поэтому будем считать, что данные теплового сопротивления учитывают двустороннее охлаждение.

2. Проверка предельно допустимых типовых значений мощности рассеяния для заданного импульсного режима работы тиристора уточняем значение теплового сопротивления переход-корпус. По кривым [6, рисунок 6] находим

Тогда

= 0,14 = 0,14 0,06 = 0,0084°С / Вт.

Допустимое значение пиковой мощности рассеяния определяется по формуле

= ,

где = - , согласно [6] = = 93°С.

Тогда

= = 3809 Вт,

т.е. рабочее значение > , что подтверждает возможность работы тиристора взаданном импульсном режиме.

3. Расчёт тепловых сопротивлений в системе корпус тиристора-охладитель -окружающая среда

Полное тепловое сопротивление системы

= ,

где мощность рассеяния в статическом режиме

=0,1 Вт.

Тогда при =125°С получаем

= =0,8°С / Вт.

Теперь в соответствии с теплоэлектрической эквивалентной схемой замещения (см. рисунок 6.1) определим тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда из соотношения

= 0,8 - 0,0084-0,015 = 0,777°С / Вт.

4. Расчёт параметров радиатора

При выборе параметров радиатора предполагаем его выполненным из алюминия, т.е. = 2,08 Вт/К (см. таблицу 6.2) с горизонтальным расположением =1 (таблица 6.3).

Для упрощённой оценки площади охлаждения радиатора используем формулу(5.8), где под площадью охлаждения понимаем площадь лишь одной половинки радиатора, имеющей тепловой контакт с одной из торцевых сторон тиристора, но при этом тепловое сопротивление охладитель- окружающая среда увеличивается в два раза, т. е.

= .

Таким образом, общая площадь для двух частей радиатора составит 1321,2 см² при толщине основания = 16 мм.

Теперь по результатам расчёта можно выбирать типовой охладитель по государственному стандарту.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: