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 (d i_T/ d t)_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
U c, 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
R н, 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 S ₁ на частоте основной гармоники пульсации f ₁. На этой частоте можно принебречь влиянием эквалентной собственной индуктивности конденсатора L _Э. Определить изменение коэффициента сглаживания фильтра при изменении частоты основной гармоники пульсации до f ₂ 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
f 1 , Гц		S 2
С ф, мкФ
S 1
L э, мкГн
f 2, 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 = 2p f ₁ = 2p 10²рад/скоэффициент S = 10.

При изменении частоты до значения w₂ = 2p f ₂= 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×w ² –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 частоте f 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

U c , 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

L э, мкГн

i c3 i c5

C, мкФ

 

 

Задача 4.5

Как изменится резонансная частота LC -цепи, состоящая из параллельно соединённых реактора с индуктивностью L и 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						D f
С, мкФ
L э, 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

E max , В

U вых

t вкл, мс

L ф, мкГн

RS , Ом

0,1

0,2

0,2

0,1

0,2

LS, мкГн

C S , 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		I нд
R н ,Ом
Bm , Tл	1,2
f, Гц
W
S, см2	1,5

 

 

Решение

Задержка на включение магнитного ключа t ₁ 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						U ср
R н, 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.4.7 в	Рис. 4.7 г	Рис. 4.7 д	Рис.4.7 г	Рис.4.7 в

 

 

Формы напряжения:

в)

г)

д)

 

 

Рис. 4.7 (продолжение)