Výpočy eploní bilance a chlazení na výkonových spínacích prvcích Úvod Při provozu polovodičového měniče vzniká na výkonových řídicích prvcích zráový výkon. volňuje se ve ormě epla, keré se musí odvés z řídícího prvku do okolí, aby nebyla překročena maximální eploa polovodičového čipu. Při překročení dochází k desrukci prvku. Při malých výkonech přesupuje do okolního vzduchu, přes připájené přívody do plošného spoje nebo epelným vyzářením do okolí. Pokud je zráový výkon věší, přisupuje se k monáži přídavných prvků, keré zajišťují lepší odvod epla. Dimenzování ěcho prvků je možné urči na základě velikosi a časovém průběhu okamžiého zráového výkonu a na dalších okolnosech, jako je yp pouzdra, nebo nunos elekrického oddělení. Řídicí prvky (věšinou jde o diody, yrisory, riaky a různé ypy ranzisorů) ve výkonovém zařízení pracují v periodickém režimu, následující příklady budou předpokláda periodickou záěž. Pro dimenzování je důležié uvažova en nejnáročnější případ, je prvek zaěžován nejvěším proudem při nejvěší možné sřídě a eploa okolí je maximální. Tehdy se maximální dosažená eploa polovodičového čipu v prvku může blíži maximální povolené, v osaních siuacích je prvek zaěžován méně a eploa polovodičového čipu je nižší a pro prvek výhodnější. Výpoče zrá ranzisorů při periodickém obdélníkovém signálu Tranzisory v měničích a sřídačích jsou nejčasěji zaěžovány obdélníkovým proudem při konsanní periodě T, pro provoz je dále uvedena mezní sřída D. Během jedné periody se zráová energie při zapnuí W 1 při propusném savu prvku po čas 1, po dobu vypnuí prvku energie při blokovacím savu W 2, dále při sepnuí W on a při vypnuí W o. Celková zráová energie během jedné periody: W per = W on + W 1 + W o + W 2 řední zráový výkon prvku: P Zav = W per Periodický obdélníkový signál s periodou T a sřídou D má čas rvání doby sepnuí 1 T D, a doby vypnuí 2 T ( 1 D) T 1. Při zapnuí eče polovodičovým prvkem proud s, při vypnuí je na prvku napěí s. Pokud prvek spíná čisě odporovou záěž o odporu R L (viz schéma), při vypnuí klesá proud současně s růsem napěí. (analogicky při zapnuí prvku). a) b) a) pínání odporové záěže, b) časový průběh napěí a proudu při vypínání odporové záěže.
Výpoče zrá při zapnuí nebo vypnuí je možné urči linearizovaného časového průběhu (růs veličiny se povařuje za lineární). Příklad linearizace růsu veličiny - napěí Výpoče zráy při vypnuí - W u i d, p 0 W o u i d 0 6 Příklad linearizace poklesu veličiny - proud Záěž s výrazně indukivním charakerem s nulovou diodou má schéma a časový průběh napěí a proudu, jde edy o případ vrdého charakeru spínání. a) b) pínání indukivní záěže ranzisorem: a) schéma, b) časový průběh W o d o 2 2 0 o 2 o Zráy při zapínání je možné urči podle sejných vzorců. Přiom je pravidlem, že při odporové záěži je obdobný průběh při zapínání i při vypínání, udíž je možné použí vzorec W on r d 0 6 Při záěži indukivní s nulovou diodou je o podobné: r W o d 2 2 on 0 on 2 on
Zráy na spínači při zapnuí závisí na velikosi spínaného proudu a na úbyku napěí na spínači. Při obdélníkové záěži (ve spínaných měničích je obvykle během sepnuí proud i úbyek napěí konsanní, pokud dochází ke změně, je možné použí průměrnou hodnou napěí nebo proudu. pínací ranzisory mohou bý bipolární (případně GBT) nebo unipolární (MOFET). V prvním případě se velikos úbyku napěí odečíá z grau v echnických speciikacích, kerý zobrazuje výsupní charakerisiku ranzisoru pro horní mezní eplou. ranzisorů MOFET je při plném sepnuí výsupní charakerisika prakicky lineární, a je dána odporem kanálu r Don Pro bipolární ranzisory (vč. GBT) pro sanovené se odeče z grau. Zráová energie během periody poom jsou: W1 1 2 Pro ranzisory MOFET (JFET) je zráová energie W1 rdon 1 Výpoče zrá diod a yrisorů v usměrňovačích harmonického proudu Diody i yrisory jsou v usměrňovačích zaěžovány periodickým proudem v případě odporové záěže s varem odvozeným od unkce sinus, při indukivní záěži je var obdélníkový. Problemaická je ilrace pomocí kondenzáoru, kdy je dioda zaěžována pulzním proudem o šířce odvozené z kapaciy ilračního kondenzáoru, paraziního sériového odporu a výsupního proudu. Plocha pulzu se rovná prošlému náboji za periodu pulzů. Pro velké výkony se ao ilrace příliš nepoužívá, proože je zdrojem velkého množsví harmonických složek, keré zaěžují síť. Navíc ilrace pomocí kondenzáorů nelze použí pro řízený usměrňovač. Proo v omo návodu nebude ilrace pomocí kondenzáorů dále rozpracovávána. směrňovače napájené z rozvodné síě se dělí na jednoázové, říázové a víceázové. Z každé áze je možné využí jednu nebo obě půlvlny, proo podle poču ází jsou dále jednoázové usměrňovače jedno nebo dvou pulzní, u říázových usměrňovačů jsou dále usměrňovače 3 nebo 6 pulzní. Při speciálním napájení je možné realizova usměrňovače vícepulzní, např. 12 nebo 24. Tyo usměrňovače, přesože jsou nákladné, mají výhodu v minimálním zvlnění a menší příomnosí vyšších harmonických v napájecím proudu. Dále se rozlišují uzlová a můsková zapojení, v můskovém zapojení vedou současně proud dvě diody a zráový výkon při úhlu oevření se násobí dvěma, a uzlové zapojení, kdy je zaěžována vždy jen jedna dioda.
pulznos (zapojení) úhel oevření sřední proud max. závěrné napěí diody 2 uzlové 180 / 2 D 2 - můskové 180 / 2 2 D 3 uzlové 120 / 3 2 3 D 6 - můskové 2 60 / 3 3 D 6 - uzlové (hvězdicový) 60 / 6 2 3 D 6 - uzlové nulová lumivka 60 / 6 4 3 3 D 12 můskové 60 / 6 3 D Propusná charakerisika diody a yrisoru se nahrazuje unkcí u = T0 + ir T, kde konsana T0 je deinována na grau a r T = F1 F2 opě z údajů na obrázku. Tyo hodnoy jsou dále uváděny F1 F2 v kaalogových lisech. Někdy yo hodnoy chybí, přeso bývá uvedena mezní výsupní volampérová charakerisika pro maximální povolenou provozní eplou přechodu. Hodnoy F1, F2, F1 a F2 se pak z éo charakerisiky dají odečís. Přiom je nuné respekova požadovaný rozsah proudu, kerý prvkem prochází.
Příklad závislosi zráového výkonu v závislosi na sředním proudu u výkonové usměrňovací diody uváděné v echnických speciikacích výrobku. řední zráový výkon byl určen podle vzorce: kde: Fm = π sin ψ 2 P Zav = Fm [4 T0 sin ψ 2 + Fmr T (ψ + sin ψ)] 4π Proud je sřední proud diodou a je rovný sejnosměrné složce, proože se proud v závěrném směru zanedbává. Jeho velikos pro různé ypy usměrňovačů je uvedena v abulce. Při ilraci lumivkou je průběh proudu diodou obdélníkový. P Zav = ψ 2π ( Fm T0 + 2 Fm r T ) kde Fm = Řízené usměrňovače bez ilrace lumivkou (při ilraci lumivkou je průběh proudu obdélníkový) P Zav = Fm 2 r F sin(2α) (π α + ) + T Fm (1 + cos α) 4π 2 2π Kde = Fm (1 + cosα) a α je řídicí úhel yrisoru. 2π
Poznámky při aplikaci chladičů k výkonovým polovodičovým prvkům K odvádění epla z výkonových polovodičových prvků se používá řada sysémů. Zráové výkony v řádu jednoek až sovek waů je možné odvádě pomocí masivních chladičů pasivně chlazených okolním vzduchem. Pokud je okolní vzduch nuceně poháněn veniláorem, mohou velikosi zráového výkonu dosahova rozsahu několika desíek až jednoho isíce waů. Pro zráové výkony sovek a isíce waů se používají epelné rubice (při podsaném zmenšení chladicího sysému), pro zráové výkony až do několika desei isíc waů lze realizova pouze kapalinovým chladičem a nuceným oběhem chladicí kapaliny. Jeden prvek na chladiči Prvek na chladiči s vyznačeným epelným okem, eploou jednolivých čásí a epelným odporem mezi jednolivými čásmi. Poom eploa polovodičového čipu θ J ( C): θ J = P Zav (R hjc + R hch + R hha ) + θ A eploa základny θ C ( C): θ C = P Zav (R hch + R hha ) + θ A a eploa chladiče θ H ( C): θ C = P Zav R hha + θ A při eploě okolí θ A. Pokud se prvky nacházení v inegrovaných modulech nebo je na jednom chladiči umísěno více spínacích prvků, je možné prvek nahradi náhradními schémay:
a) b) a) 4 prvky v jednom pouzdře (například diodový můsek v jednom pouzdře) dvoupulzním jednoázovém usměrňovači, nebo b) 2 prvky na jednom chladiči (horní a dolní ranzisor jedné věve můskového sřídače) Výpoče oeplení prvků odpovída příslušnému náhradnímu schémau. Teploa čipu prvku v prvním schémau: θ J1 = P Z1 R jjc1 + (P Z1 + P Z2 + P Z3 + P Z4 )(R hch + R hha ) + θ A Teploa čipu prvku v druhém schémau: θ J1 = P Z1 (R hjc1 + R hch1 ) + (P Z1 + P Z2 )R hha + θ A Při výpočech chladicí sousavy je možné se seka s úlohou na výpoče maximální eploy polovodičového čipu, nebo požadovaný eploní odpor chladiče, nebo výběr akového prvku nebo jeho výkonového režimu, aby eploa jeho polovodičového čipu nepřesáhla povolenou mez. Výpoče pak prakicky proběhne ak, že se navržené vzorce upraví podle hledaného parameru, nebo časěji se použijí všechny uvedené meody v kombinaci, aby se nalezlo opimální řešení. Při zajišění bezpečnosi měniče se časo používají mezi spínací prvek a chladič izolační podložka (slídová nebo silikonová) s deinovaným epelným odporem, kerý se připočíává k hodnoě R hch. Na základě empirického měření je možné samonou hodnou R hch při použií epelně vodivé vazelíny sanovi R hch = 2 K/W při syčné ploše 1 mm 2. Úkoly: 1) Pro obdélníkový průběh proudu s = 5 A, napěí při vypnuí D = 200 V, sřídu D = 0,8, vypínací časy r = 25 ns, = 25 ns a rekvenci = 100 khz určee celkové zráy u ranzisoru MOFET s r Don = 0,85 Ω při odporové i indukivní záěži, proud při vypnuí se zanedbává. 2) Pro diody s T0 = 0,75 V, a r F = 0,0035 Ω zapojené ve šesipulzním můskovém usměrňovači s výsupním proudem = 120 A určee zráový výkon.
3) Řízený dvoupulzní usměrňovač je osazen yrisory s paramery náhradní charakerisiky r F = 0,025 Ω, a T0 = 1,15 V má při výsupním proudu = 36 A úhel oevření α = 35. rčee zráový výkon na yrisoru. 4) Tranzisor v pouzdře TO220 má epelný odpor R hjc = 1 K/W, a je zaěžován zráovým výkonem uvedeným v úloze 1. Z inerneového kaalogu irmy Fischer Elekronik vybere vhodný chladič určený přímo pro pouzdro TO220 nebo použije dosaečně dlouhou čás proilového chladiče uvedeného v příloze. 5) Diody z úlohy č. 2 jsou umísěny modulu, kdy každá dioda má vůči pouzdru epelný odpor R hjc = 0,89 K/W. Přechodový odpor mezi základnou modulu a chladičem uvažuje R hch = 0,033 K/W. rčee pořebnou délku chladiče uvedeného v příloze, případně zvole jiný chladič z kaalogové nabídky irmy Fischer Elekronik. Příloha Příklad proilového chladiče s uvedenou závislosí epelného odporu R hha na délce. (a) variana pro pouzdra TO 220) Příklad proilového chladiče s uvedenou závislosí epelného odporu R hha na délce. (b)variana pro výkonové moduly diodové a ransormáorové můsky)