Тепловые режимы электронных ключей

Задача 3.1

Подобрать тип силового тиристора для ключевого регулятора постоянного тока, работающего в импульсном режиме с частотой 400 Гц, коэффициентом заполнения g = 0,6, амплитудой тока I_{u. max} = 30 А, напряжением источника питания 150 В, скорость спада прямого тока 15 А/мкс, обратное напряжение не более
200 В.

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному прибору, если температура окружающей среды 40 ºC. При решении задачи пренебречь динамическими потерями мощности в приборе.

Решение

1. В соответствии с заданными параметрами выбираем высокочастотный тиристор ТЧ 25-5 штыревого типа с параметрами среднего тока в открытом состоянии I_TAV = 25 А для максимальной температуры кристалла T_j = 110 ºC.

По заданию средний ток, протекающий через прибор

Для I_TAV температура корпуса тиристора Т_с = 70 ºC. Допустимое обратное повторяющееся напряжение U_RRM = 500 В. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di_T/dt)_crit = 200 А/мкс. Время включения тиристора
t_t = 5 мкс, что составляет 4% от времени действия импульса тока t_и = 120 мкс. Время выключения тиристора t_g = 12-30 мкс, что позволяет выключить
тиристор за время паузы t_п = 80 мкс. Тепловое сопротивление кристалл – корпус
R _j-c = 0,6 ºC /Вт.

2. Рассчитаем потери мощности в приборе. Для тиристора прямое падение напряжения в открытом состоянии U_oc= 3,05 В, тогда потери мощности

.

3. Определим тепловые сопротивления на отдельных участках перехода теплового потока в системе СПП – окружающая среда. Если известна допустимая температура нагрева корпуса СПП T_j = 70 ºC, то при полученном значении P_птемпература кристалла тиристора согласно термоэлектрической эквивалентной схеме

.

По результатам расчета тепловой режим допустим для кристалла тиристора.

Рассчитаем тепловые сопротивления перехода охладитель - окружающая среда

.

Задача 3.2

Выбрать тип силового диода для работы в качестве выпрямителя тока с частотой 50 Гцна напряжение сети U (рис. 3.2). Амплитуда выпрямленного тока I_m.

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному прибору, если температура окружающей среды 40 ºC.

Рис. 3.2

Исходные данные

Вариант
Uc, В
Im, А

Задача 3.3

Выбрать тип силового МОП транзистора, работающего в ключевом режиме c коэффициентом заполнения g (рис. 3.3).

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному транзистору, если температура окружающей среды равна 40 ºC. При решении задачи пренебречь динамическими потерями мощности в приборе.

Рис. 3.3

Исходные данные

Вариант
E, В
g	0,8	0,7	0,9	0,8	0,7	0,9
Rн, Ом

Задача 3.4

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому диоду штыревого типа (рис. 3.4). Полная мощность рассеяния диода P_dS . Температура окружающей среды t.

Рис. 3.4

Исходные данные

Вариант
PdS , Вт
t, 0С

Задача 3.5

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому тиристору, таблеточного типа (рис. 3.5). Полная мощность рассеяния тиристора P_dS. Тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус R_j-с. Температура окружающей среды t.

Рис. 3.5

Исходные данные

Вариант
PdS , Вт
t, ºC

Задача 3.6

Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому IGBT- транзистору (рис. 3.6). Полная мощность рассеяния транзистора P_dS. Тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус R_j-c. Температура окружающей среды t.

Рис. 3.6

Исходные данные

Вариант
PdS , Вт
t, 0С

Пассивные элементы

Задача 4.1

Для сглаживания пульсации постоянного входного напряжения U_вх установлен Г-образный LC фильтр, состоящий из L_Ф и C_Ф (рис. 4.1). Задан коэфициент сглаживания фильтра S₁ на частоте основной гармоники пульсации f₁. На этой частоте можно принебречь влиянием эквалентной собственной индуктивности конденсатора L_Э. Определить изменение коэффициента сглаживания фильтра при изменении частоты основной гармоники пульсации до f₂ для 2-х случаев:

а) без учёта влияния собственной индуктивности конденсатора L_э;

б) с учётом влияния на этой частоте индуктивности L_э.

Рис. 4.1

Исходные данные

Дано	Значения	Найти
f1 , Гц		S2
Сф , мкФ
S1
Lэ , мкГн
f2 , кГц

Решение

а) Коэффициент сглаживания LC-фильтра для гармонической составляющей с круговой частотой w (на холостом ходу ) равен отношению модулей сопротивления LC-цепи и сопротивления конденсатора , т.е.

На частоте w₁=2pf₁=2p 10²рад/скоэффициент S = 10.

При изменении частоты до значения w₂=2pf₂= 2p 10⁵ рад/c без учёта влияния L_э получим

.

б) Учитывая собственную индуктивность конденсатора L_э можем записать

.

Очевидно, что L_э<< L_ф , поэтому можем пренебречь значением L_э во втором сомножителе и учесть его только в первом сомножителе, где L_э стоит в знаменателе и оказывает существенное влияние при больших w.Пренебрегая указанным образом и учитывая, что L_ф×C_ф×w² –1=1,1×10⁷ ( из а)очевидно, что это просто есть значение коэффициента сглаживания без учёта паразитной индуктивности конденсатора), а также, используя заданные значения L_э и C_ф получаем

.

Задача 4.2

Определить коэффициент сглаживания S Г-образного RC-фильтра в цепи постоянного тока (рис. 4.2) для гармонической составляющей пульсации частотой f. Сопротивление резистора фильтра R. Конденсатор имеет следующие значения параметров схемы замещения из последовательно соединённых элементов С_S; r_S; L_S.

Рис. 4.2. Последовательная схема замещения конденсатора

Исходные данные

Вариант						Найти
f, кГц						S
R, Ом		0,5		0,5
СS,мкФ
rS, Ом	0,1	0,2	0,1	0,5	0,05
LS , мкГн

Задача 4.3

В конденсаторе переменного тока емкостью C (рис. 4.3)при частотеf и действующем значении синусоидального напряжения U_с выделяется активная мощность Р. Какая мощность будет выделяться, если частота напряжения станет равной 2f, при условии, что тангенс угла потерь конденсатора и диэлектрическая проницаемость его диэлектрика от частоты не зависят?

Исходные данные

Вариант

Найти

С, мкФ

P

f, Гц

Uc , B

P, Bт

Задача 4.4

На входе выпрямителя, имеющего прямоугольную схему входного тока на частоте, включены LC-фильтры, шунтирующие 3-ю и 5-ю гармоники входного тока выпрямителя. Конденсаторы шунтирующих цепей имеют одинаковую емкость, а индуктивности фильтров обеспечивают условия резонанса для соответствующих гармоник. Какими будут значения амплитуд 3-й и 5-й гармоник тока, поступающих в сеть, если частота сети увеличится на 10 %? Эквивалентное входное сопротивление сети со стороны выпрямителя имеет индуктивный характер и представлено в схеме эквивалентной индуктивностью L_э.

Рис. 4.3

Исходные данные

Вариант

Найти

Lэ, мкГн

ic3 ic5

C, мкФ

Задача 4.5

Как изменится резонансная частота LC-цепи, состоящая из параллельно соединённых реактора с индуктивностью Lи конденсатора с емкостью С, если учесть последовательную собственную индуктивность конденсатора L_э.

Рис. 4.4. Последовательная схема замещения конденсатора

Исходные данные

	Вариант						Найти
L, мкГн						Df
С, мкФ
Lэ, мкГн	0,05	0,02	0,01	0,1	0,03

Задача 4.6

На вход Г-образного LC-фильтра в цепи переменного тока поступает напряжение прямоугольной формы с амплитудой E_max. Длительность прямоугольного импульса t_вкл,а период Т. Определить действующее значение напряжения U_вых на выходе фильтра, учитывая 1-ю, 2-ю и 3-ю гармонические составляющие и потери активной мощности в конденсаторе. Индуктивность последовательного реактора фильтра L_Ф. Схему замещения конденсатора можно представить состоящей из последовательно соединённых резистора R_S, индуктивности L_S и конденсатора C_S.

а) б)

Рис. 4.5. Последовательная схема замещения конденсатора

Исходные данные

Вариант

Найти

Emax , В

Uвых

tвкл, мс

Lф, мкГн

RS , Ом

0,1

0,2

0,2

0,1

0,2

LS, мкГн

CS , мкФ

Т, мс

Задача 4.7

Определить действующее значение I_нд тока нагрузки в схеме с магнитным ключом. Выходное напряжение имеет синусоидальную форму с амплитудой U_m и частотой f.

Магнитопривод ключа T_s имеет идеальную кривую намагничивания, площадь поперечного сечения магнитопровода S и количество витков W.

а)

б)

Рис. 4.6

Исходные данные

Дано	Значения	Найти
Um ,B		Iнд
Rн ,Ом
Bm, Tл	1,2
f , Гц
W
S, см2	1,5

Решение

Задержка на включение магнитного ключа t₁ определяется его перемагничиванием.

в)

Рис. 4.6 (продолжение)

По закону электромагнитной индукции , пренебрегая рассеянием магнитного поля, можно записать в виде :

.

Интегрируя левую и правую часть получаем :

Задача 4.8

Определить среднее значение напряжения на нагрузке в схеме с магнитным ключом. Выходное напряжение имеет заданную форму, амплитуду U_m и частоту f (рис.4.7 а, б).

Магнитопривод ключа T_s имеет идеальную кривую намагничивания, площадь поперечного сечения магнитопровода S, и количество витков W.

а)

б)

Рис. 4.7

Исходные данные

	Вариант						Найти
Um, В						Uср
Rн, Ом
Bm, Тл	1,5	1,3	1,4	1,0	1,5
f, Гц
W
S, см2	1,4	1,3	1,2	2,0	1,4
Форма напряжения	Рис.4.7в	Рис. 4.7г	Рис. 4.7д	Рис.4.7г	Рис.4.7в

Формы напряжения:

в)

г)

д)

Рис. 4.7 (продолжение)