www.chms.ru - вывоз мусора в Балашихе 

Динамо-машины  Моделирование транзисторов 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Автоматизация теиловага расчета око е ных каскадов иа йСВТ траизисторах

Введение

Преимущества IGBT при использовании их в импульсных силовых каскадах (особенно высоковольтных) общеизвестны: высокая плотность тока, малые статические и динамические потери, отсутствие тока управления, устойчивость к короткому замыканию, простота параллельного соединения и другие.

Основным их недостатком на сегодняшний день, ограничивающим применение IGBT на высоких частотах, является наличие времени рассасывания неосновных носителей (хвоста) базы биполярного транзистора. По этой причине частота переключения каскадов с IGBT транзисторами в режиме жесткой коммутации не превышает 10-20 кГц. В резонансных схемах эта частота может быть увеличена на порядок. Однако в указанном диапазоне частот, при напряжении до 800 В и при выходной мощности, измеряющейся десятками киловатт, транзисторы IGBT сегодня - лучший элемент для ключевых каскадов.

В различных инструкциях по применению разработчиками IGBT транзисторов указывается, что главным ограничением при использовании этих элементов является температура кристалла. Однако расчетэтой температуры представляет определенные трудности вследствие большого количества исходных данных. Наиболее полные данные для расчета дает фирма International Rectifier. В материалах по применению указывается, что фирма старается ориентироваться на разработчика, сделать исходные данные дружественными . И все же анализ тепловых режимов представляет большую сложность, особенно для начинающих пользователей, а без такого анализа невозможно обеспечить надежность работы мощных ключевых усилителей.

Данная статья посвящена методике упрощенного теплового расчета транзистора (модуля), работающего в режиме жесткого переключения, т.е. при условии, когда коммутируются одновременно максимальные рабочие значения тока и напряжения.

Тепловая модель

Достаточно точное описание тепловой модели IGBT и MOSFET транзисторов дается в



Температурный режим работы транзисторов и силовых модулей на их основе характеризуется полным тепловым сопротивлением между кристаллом (junction) и корпусом (case). По аналогии с электрической цепью, полное тепловое противление рассчитывается на основании отношения раз-I \ сти температур между кристаллом и подложкой к мош1нос-ти, рассеиваемой в кристалле.

В справочных данных на любой тип транзистора или силового модуля приводится переходная характеристика теплового сопротивления (Transient Thermal Impedance, Junction to case Zthjc). Эти характериаики являются ключевыми для теплового расчета. Каждый из этих графиков нормирован к тепловому сопротивлению переход-подложка в установившемся режиме для различных значений скважности импульсов. Вследствие наличия тепловых постоянных времени, рост температуры перехода усиливается с увеличением длительности импульса t. и при t gt;lc практически уже не зависит от длительности импульса.

Эпюра для одиночного импульса (single pulse) иллюстрирует рост температуры перехода на ватт рассеиваемой мощности как функцию длительности импульса. Этот график имеет смысл для определения роста температуры перехода в неустановившемся режиме для разовых импульсов большой мощности или импульсов с очень низкой частотой (например, при триггерной работе схемы защиты от короткого замыкания). Все остальные кривые аппроксимированно связаны с графиком для одиночного импульса посредством следующей зависимости:

Zthjc=(DHl-D) *Zthjc1) *Rjc (1)

Где D - коэффициент заполнения, а Zthjcl - тепловое сопротивлениедля одиночного импульса данной длительности. Подобное семейство кривых для транзистора IRGPC20 представлено на рис.1. (Все остальные приведенные ниже графики также относятся к этому транзистору).

Эффективное полное тепловое сопротивление, умноженное на мощность, рассеянную за период проводимости (т.е. мощность одиночного импульса), дает величину роста пиковой температуры кристалла для повторяющихся импульсов. По мере роста частоты тепловая инерция перехода сглаживает мгновенные флуктуации температур и переход реагирует больше на среднее, чем на пиковое рассеяние мощности. При частотах свыше нескольких килогерц температурными флук-туациями можно пренебречь.




01*4 П(11 0 1

1 . Heciafigjiar Ри se Diiration (sec)

Рис.1

Для определения абсолютного значения пиковой температуры перехода необходимо знать температуру корпуса Тс в установившемся режиме. Обладая большой тепловой инерцией, радиатор реагирует только на среднюю рассеиваемую мощность, и, таким образом. Тс можно рассчитать по формуле:

Тс=Та + (Rthcs + Rthsa)*P*D (2)

Где Та - температура окружающей среды Rthcs - тепловое сопротивление корпус-теплоотвод ; Rthsa - тепловое сопротивление теплоотвод-окружаю-щая среда ;

Р - мощность;

D - коэффициент заполнения.

TU itlUtl




1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31