2tom291

8. ENERGOELEKTRONIKA 584

przełączania P_Q. Rozróżnia się straty chwilowe p(t) i straty średnie P_(AV). Zwykle maxp(t) > P{avy ⁿP- ^w obwodzie bramki tyrystora GTO przy wyłączaniu.

Wartość i udział poszczególnych strat zależy od typu zaworu (dioda, tyrystor, tranzystor), rodzaju napięcia głównego (źródła stałe, przemienne), typu komutacji (zewnętrzna, wewnętrzna, bramkowa), kształtu prądu głównego, przebiegu prądu sterującego. Obliczenia analityczne są zawsze przybliżone. Przy doborze zaworu trzeba się posługiwać danymi wytwórcy (katalogi, instrukcje użytkowania, ang. Application Notes). Średnie straty mocy przewodzenia oblicza się wg wzorów:

—    dla diod i tyrystorów, stosując dwuodcinkową aproksymację charakterystyki I_F(U_F)

Pf(AV) ⁼ U(TO)IP(AV)~P^rT^F(RMS)    (8-2)

przy czym: U_IT0) — napięcie progowe, r_T — rezystancja dynamiczna:

—    dla tranzystorów: bipolarnych P_F = U_CEsuI_c unipolarnych P_F = I²D<om^R ostom-

Ponieważ tranzystory pracują z reguły z dużą częstotliwością przełączania f_p, to straty całkowite, przy założeniu, że prąd główny ma kształt impulsów trapezowych, oblicza się wg wzorów:

—    bipolarne

(8.3)

(8.4)

Jc+ c. ^ CE sai ^C^OK i orf) + U _BEI „

— unipolarne

— 1 DtON)Rp5tOm~^ g UDS^OtO,\)^ON~b to

Straty P_G tranzystorów unipolarnych pomija się jako nieistotne.

W strukturach i modułach scalonych trzeba uwzględniać straty przewodzenia scalonej diody zwrotnej.

Chłodzenie [8.11]

Na skutek strat mocy wzrasta temperatura struktury półprzewodnikowej ponad temperaturę otoczenia (ogólnie chłodziwa) 9„, wskutek czego następują odwracalne zmiany wartości parametrów' i przesunięcia charakterystyk, wyznaczanych zwykle przy temperaturze złącza lub kanału Qj = 25°C. Przekroczenie granicznej temperatury pracy > .9_jcr powoduje zmiany nieodwracalne, tj. zniszczenie zaworu. Wartość 9_jV, zależy od rodzaju zaworu i technologii, zawiera się zwykle w przedziale 125-^200°C.

	ftthjc Rthcr -^r Aihra ^			a
j>* =	-C-ihj -	— Cthc —	-Cthr	Rys. 8.7. Schemat zastępczy cieplny struktury zaworu j złącze, c obudowa, r — radiator, a środowisko (chłodziwo)

Nagrzana struktura jest źródłem strumienia ciepła płynącego do chłodziwa. Przez analogię do obwodów elektrycznych zjawiska przejmowania ciepła przez chłodziwo ilustruje się schematem zastępczym w postaci układu drabinkowego rezystancji i pojemności cieplnych części konstrukcyjnych zaworu (rys. 8.7). W stanie ustalonym uwzględnia się tylko R,_h (K/W). w stanach przejściowych także C_th. Wartości R_th są podawane w katalogach lub mogą być obliczone z danych konstrukcyjnych. Zjawiska występujące w stanach przejściowych opisuje się za pomocą pojęcia impcdancji cieplnej Z._h(f). W praktyce korzysta się z wykresów doświadczalnych — przykłady na rys. 8.8.

Ze schematu cieplnego można także wyliczyć

Z,kM = I i?,_h(n)[l-exp(—t/rj]    (8.5)

rt= 1

przy czym t„ = R_lh( .C_th(„, — stała czasowa cieplna n-tego ogniwa schematu zastępczego cieplnego.

Rys. 8.8. Impedancja cieplna Z,_h(f): a) skok strat mocy tyrystora; b) impulsowe okresowe przewodzenie bipolarnego tranzystora mocy przy współczynniku wypełnienia impulsu <5

Warunek prawidłowego użytkowania zaworu przy zadanej Q_a:

—    w stanie ustalonym

9j = 9.+A&J = &.+P„iR* < 9_Jcr    (8.6)

i

—    w stanic nieustalonym

9j(t) = 9_a + P_m(t)Z_{hja(t) < 9_jcr- \/t>t,    (8.7)

Wybór metody i intensywności chłodzenia zależy od gęstości strumienia mocy d_til(W/m²) oraz warunków środowiskowych. W chłodzeniu zaworów biorą udział zjawiska przewodnictwa cieplnego, promieniowania, unoszenia (konwekcji). Chłodziwem, czyli czynnikiem przejmującym ciepło, jest najczęściej powietrze lub ciecz. Zwiększenie intensywności przejmowania ciepła z powierzchni nagrzanej, np. z radiatora, osiąga się przez zwiększenie szybkości przepływu chłodziwa — prędkości przepływu u, = 6    12 m/s

(unoszenie wymuszone).

Gdy prądy zaworów przekraczają 800 A lub J_a > 3000 W/m² oraz gdy wymiary urządzenia są znacznie ograniczane (trakcja elektryczna, obiekty latające itp.), wówczas stosuje się chłodzenie cieczowe (woda destylowana zdejonizowana, metanol, olej transformatorowy lub silikonowy, freon i inne) o obiegu zamkniętym naturalnym lub wymuszonym. Zwiększenie intensywności chłodzenia uzyskuje się przez wykorzystanie przemiany fazowej cieczy na parę (duże ciepło parowania) — przykłady na rys. 8.9. Szczególnie interesującym rozwiązaniem są rury cieplne (ang. heat pipes).