WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Ограниченность информации о величинах параметров и характеристик СПП приводит к тому, что преобразователи на основе их групповых соединений проектируются и изготавливаются с применением специальных цепей, которые предназначены для выравнивания величин тока или мощности потерь в СПП. При этом предполагается, что за счёт этого обеспечиваются выравнивание и снижение температуры их полупроводниковых структур при эксплуатации. Однако применение этих цепей увеличивает габариты, массу и стоимость преобразователей и приводит к снижению КПД преобразователей, что свидетельствует о неэффективности принимаемых мер.

При производстве преобразователей, при профилактических работах и их ремонте при формировании группы СПП для обеспечения надёжного функционирования приборов дополнительно осуществляется их подбор по величинам параметров и характеристик. Разработанные методы подбора основываются только на подборе при формировании группы СПП по величинам некоторых параметров ВАХ в состоянии высокой проводимости при одной величине температуры корпуса СПП. Это оказывается недостаточным для повышения эффективности подбора вследствие того, что при этом не учитываются зависимости электрических параметров и характеристик СПП от температуры. В литературе рекомендуется использовать СПП с одинаковыми значениями Rthjc. Однако сплошной контроль и определение величин тепловых параметров и характеристик не осуществляется ни на одном этапе жизненного цикла приборов из-за отсутствия высокопроизводительных и точных методов и технических средств для их определения. При производстве СПП осуществляется только периодический контроль и определяются величины Rthjc ограниченной партии приборов. Всё это также предопределяет неэффективность принимаемых мер.

Методы расчёта преобразовательных устройств направлены в основном на определение электрических режимов в их цепях. При этом СПП представляются в виде идеальных ключей. Выбор СПП осуществляется на основе оценки предельных и перегрузочных режимов работы, которая осуществляется на основе справочных данных о величинах параметров линеаризованных ВАХ и тепловых параметров. При этом не осуществляется расчёт электротепловых процессов, развивающихся в СПП во времени, что необходимо для оценки возможности надёжного функционирования групп СПП при эксплуатации. Это объясняется отсутствием разработок моделей СПП, в которых учитываются взаимосвязь их электрических и тепловых параметров, конструктивное исполнение и параметры систем охлаждения. В связи с этим электротепловые процессы, которые зависят от большого числа факторов и определяют функционирование группы СПП во времени, не изучены достаточно подробно.

В последнем пункте главы сформулированы краткие выводы, вытекающие из обзора литературы, и определены конкретные цели и задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе разработаны и исследованы электротепловые модели СПП и их групповых соединений на основе метода электротепловой аналогии. Модели реализованы в вычислительной среде Multisim. Обобщенная структура разработанных моделей СПП (рис. 1) включает в себя модель электрических процессов (МЭП) и тепловую модель (ТМ).

Информация о протекающем токе IF через СПП поступает в МЭП. На выходе МЭП формируется информация о величине мощности потерь ptot в полупроводниковой структуре (ПС). Эта информация передаётся на вход ТМ, в которой осуществляется расчёт температуры ПС Tj. Информация о Tj передаётся по обратной связи в МЭП, где на её основе осуществляется температурная коррекция величин электрических параметров ВАХ в МЭП.

Базовым элементом модели является модель диода VD, которая основывается на параметрах кусочно-линейной аппроксимации ВАХ в состоянии высокой проводимости порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT. Исходные значения параметров VD соответствуют устанавливаемой начальной температуре полупроводниковой структуры Tj0, относительно которой производится расчёт. Падение напряжения на модели диода описывается выражением:

. (1)

Блок ТК реализует функцию температурной зависимости uF МЭП. Данный блок представляет собой управляемый источник напряжения V1, напряжение которого определяется как:

. (2)

В свою очередь, величина ТКН зависит от величины протекающего тока через диод VD и определяется из следующего соотношения:

, (3)

где a и b – постоянные коэффициенты, экспериментально определяемые для конкретного моделируемого прибора.

Общее напряжение на модели СПП определяется соотношением:

. (4)

Блок ИМ предназначен для вычисления мощности потерь ptot. ИМ состоит из трёх основных блоков: датчика напряжения (ДН), датчика тока (ДТ), умножителя (УМ). Мощность, выделяемая в диоде VD, вычисляется как:

. (5)

ТМ конструкции СПП разработана на основе метода электротепловой аналогии и состоит из m элементов, которые соответствуют элементам конструкции прибора и охладителя. Элемент с индексом n является полупроводниковой структурой. Для ТМ входной информацией является величина теплового сопротивления Rthjc конкретного прибора, исходя из которой определяются значения эквивалентов тепловых сопротивлений межэлементных контактов Rк. Введение дополнительных межэлементных резисторов – аналогов дефектов дает возможность учесть разброс величин тепловых параметров СПП.

С целью сравнения качества охлаждения полупроводниковых структур приборов различных типов и конструкций с типовыми охладителями были разработаны и исследованы модели следующих приборов: ВЛ200, Д151-160, Д143-800, ВКДУ-150, Т161-160, Т243-400.

Сравнительной оценкой являлся коэффициент запаса kзT по температуре полупроводниковой структуры относительно максимальной величины температуры полупроводниковой структуры Tjm в установившемся тепловом режиме. Значения этого коэффициента определялись по формуле:

, (6)

где Tjmax – максимальный перегрев полупроводниковой структуры в установившемся тепловом режиме, Ta = +400С – максимальная температура окружающей среды.

Значения kзT для всех исследуемых типов приборов приведены на рис. 2.

Моделирование показало, что приборы различных конструкций при типовых значениях параметров систем охлаждения имеют существенные различия в величинах коэффициента запаса по температуре kзT полупроводниковой структуры. Ряд приборов штыревой конструкции вообще не имеют запаса по температуре, что предполагает их потенциальную ненадёжность.

Разработаны и исследованы электротепловые модели групповых соединений СПП. Моделирование процессов в СПП при параллельном соединении трёх диодов Д151–160 с одинаковыми величинами электрических параметров и характеристик в начальном состоянии, но с различными значениями тепловых сопротивлений переход-корпус Rthjc и корпус-охладитель Rthch, показало их существенное влияние на перегревы полупроводниковой структуры СПП и перераспределение токов между ними.

На рис. 3а представлены зависимости разности максимального и минимального протекающих токов через параллельные диоды IF и, соответственно, на рис. 3б зависимости разности температур полупроводниковых структур Tj от исследуемых тепловых параметров.

Результаты исследования показывают существенную зависимость распределения тепловых перегревов полупроводниковой структуры СПП в группе и тока в них от величин тепловых сопротивлений Rthjc и Rthch.

Исследование также показало существенное влияние на величину предельного среднего тока IFmax СПП различных конструкций в группе и времени установления теплового равновесия в приборах от величин разброса теплового сопротивления Rthjc и количества приборов n в группе (рис. 4).

Показано, что величины IF(T)max существенно уменьшаются с увеличением Rthjc и количества приборов N в группе. Также показано, что для различных типов СПП в этих зависимостях наблюдается различный характер этих изменений. Время установления теплового равновесия в приборах различных типов при параллельном соединении колеблется от десятков минут до единиц часов.

Исследование последовательно-параллельного соединения СПП показало возможность осуществлять расчёт тепловых процессов в группе по методике, применяемой для расчёта параллельного соединения СПП. Дополнительно для данного типа соединения возможно выравнивание температуры полупроводниковых структур за счёт комбинации приборов с различными величинами параметров.

Проведенные исследования показывают, что групповые соединения СПП с одинаковыми величинами электрических параметров и характеристик, но с различными величинами тепловых параметров и характеристик, имеют пониженную нагрузочную способность. Причём нагрузочная способность группы снижается с увеличением величины разброса Rthjc и количества СПП в группе.

Одним из путей уменьшения Tj и IF является уменьшение значения величины Rthch. Этого можно добиться за счёт улучшения качества обработки контактирующих поверхностей либо за счёт применения теплопроводных паст. Однако, эффект уменьшения Tj и IF наиболее существенен при подборе приборов в группе с примерно равными значениями Rthjc.

Применение разработанных электротепловых моделей для исследования тепловых процессов в СПП при групповых соединениях позволяет на стадиях разработки и производства преобразователей исключить сложный и дорогостоящий процесс экспериментального исследования групповых схем.

В третьей главе разработаны методы и технические средства для определения тепловых и электрических параметров СПП.

Первоначально в главе формируются подходы к определению информативных параметров, к которым относятся температура полупроводниковой структуры Tj, ТКН, температуры корпуса СПП TC, средней мощности потерь PtotAV, на основе которых разработан метод определения тепловых и электрических параметров и характеристик.

Метод определения Zthjc и Rthjc прибора заключается в выполнении двух последовательно выполняемых во времени этапов испытания: 1) формирование испытательного режима и измерение информативных параметров; 2) расчётный этап. Все эти этапы производятся за один испытательный цикл. Временные диаграммы электрических и тепловых процессов в СПП при испытании поясняются рис. 5.

Первый этап испытания и измерения информативных параметров в свою очередь разделяется на этап нагрева (t0 – t2) и этап остывания (t2 – t6).

На этапе нагрева формируются тестовые сигналы постоянного тока и импульсов греющего тока через испытуемый прибор. Этот этап предназначен для измерения информативных параметров для определения характеристики Zthjc и параметра Rthjc. На этапе остывания измеряются дополнительные значения информативных параметров для определения ТКН испытуемого прибора.

Этап нагрева разделяется на стадию нагрева постоянным током (t0 – t1) и стадию нагрева импульсным током (t1 – t2) испытуемого прибора. Разделение процесса нагрева испытуемого прибора на две данных стадии позволяет более точно определить характеристику Zthjc на интервале времени до 100 мс.

Рассмотрим более подробно все этапы испытательного цикла.

1. Этап нагрева.

1.1. Этап нагрева постоянным током.

1.1.1. На этом этапе через испытуемый прибор на интервале времени t0 – t1, в течение 100 мс, пропускается стабилизированный постоянный ток It1 величиной, приводящей к разогреву испытуемого прибора. В данном случае ток It1 является одновременно и греющим и тестовым. В течение этого интервала времени измеряются и запоминаются дискретные значения напряжения на испытуемом приборе в состоянии высокой проводимости uhc(ti, It1) и температура корпуса испытуемого прибора TC(ti). Средняя мощность потерь за этот промежуток времени вычисляется по формуле:

. (7)

Здесь – количество измеренных дискретных значений напряжения uhc, где – период дискретизации измерения напряжения uhc; t0i – момент на интервале времени t0 – t1.

1.1.2. В момент t1 величина протекающего тока уменьшается до величины It2, не влияющей на тепловое равновесие испытуемого прибора, который является вторым тестовым током. При этом измеряется и запоминается напряжение uhc(t1, It2). Величина этого напряжения используется в дальнейшем для вычисления ТКН(It2).

1.2. Этап нагрева импульсным током.

На этом этапе, который начинается с момента t1, осуществляется нагрев испытуемого прибора импульсами тока c предварительно установленными амплитудой и углом регулирования греющего тока. Нагрев продолжается до момента t2, когда температура корпуса испытуемого прибора достигает заранее установленного максимального значения TCmax. В процессе нагрева в моменты времени j-го интервала измерения запоминаются значения и, и вычисляются дискретные j-е значения средней мощности потерь за период греющего тока по формуле:

, (8)

где – количество измеренных точек информативных параметров за один период греющего тока, где – период дискретизации измерения информативных параметров; – момент на интервале времени j-го импульса греющего тока.

2. Этап остывания.

2.1. На стадии остывания, на интервале t2 – t3, продолжается измерение TC(t2i), uhc(t2i) и измеряется продолжительность данного интервала. По полученным данным вычисляются предварительные дискретные значения ТКН(t2i) для тока It2:

(9)

и дискретные значения производной ТКН(t2(i+1)) по времени:

. (10)

Момент t3 – момент достижения термодинамического равновесия участка конструкции ИП переход-корпус. Достижение этого момента определяется условием.

2.2. Протекание тестового тока It2 длительное время приводит к погрешности определения температуры Tj по температуре TC. В момент t3 температура кристалла Tj определяется как:

. (11)

Для выравнивания температур Tj и TC источник тестового тока It2 отключается на интервал времени t3 – t4, равный t2 – t3. При испытании тиристоров и симисторов интервал t3 – t4 пропускается.

2.3. В момент t4 через испытуемый прибор вновь пропускается ток величиной It1, измеряются и запоминаются значения TC(t4), uhc(t4, It1). В момент t5 тестовый ток уменьшается до величины It2 и производятся измерения и запоминание TC(t5), uhc(t5, It2). В момент t6 источник тестового тока отключается.

3. Расчетный этап. На этом этапе вычисляются следующие величины:

1) ТКН при протекании тока It1:

; (12)

2) температура кристалла Tj в момент t1:

; (13)

3) значение ТКН при протекании тока It2:

; (14)

4) переходное тепловое сопротивление переход-корпус на промежутке t0 – t1:

; (15)

5) средняя мощность потерь в процессе нагрева:

, (16)

где m – количество импульсов греющего тока;

6) средняя мощность потерь на интервале t0 – t2:

. (17)

Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитываются дискретные значения характеристики Zthjc после каждого j-го импульса греющего тока на интервале времени t1 – t2:

. (18)

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»