Визначення додатку до Значення теплового опору силових напівпровідникових приладів Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2. Cesar Silva. Control of an Hybrid Multilevel Inverter for Current Waveform Improvement / Cesar Silva, Samir Kouro, Julio Soto, Pablo Lezana // IEEE Cambridge Symposium on Industrial Electronics. -2008. - P. 2329-2335.

3. Comra K. A. Operation and Design of Multilevel

Inverters / K. A. Corzine // University of Missouri. -Rolla. Copyright. - 2005. - 79 р.

4. Шавёлкин А. А. Несимметричный гибридный многоуровневый преобразователь частоты / А. А. Ша-вёлкин // Технічна електродинамікя.Тем. вип. Силова електроніка і енергоефективність. Інститут електродинаміки НАН України. Київ. - 2008. - Ч. 2. -С. 21-26.

Шавёлкин А. А. Принципы реализации «реактивной ячейки» в гибридных многоуровневых преобразователях частоты/ А. А. Шавёлкин // Тем. вип. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» н.-т. журналу «Електроинформ» . -Львів : ЕКОінформ, 2009. - С. 325-326.

Шавьолкін О. О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О. О. Шавьолкін, О. М. Наливайко. -Краматорськ : ДДМА, 2008. - 326 с.

Пронин М. В. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов ; под ред. Крутякова Е. А. // СПб : «Электросила», 2003. - 172 с.

Стаття надійшла до редакції 16.02.2010 р.

Після доробки 30.09.2010

Шавьолкін О. О. Гібридний багаторівневий перетворювач частоти на базі чотирирівневого інвертора напруги

Розглянуто основні принципи реалізації гібридного багаторівневого перетворювача частоти на базі чотирирівневого інвертора напруги з «реактивною коміркою» у вихідних фазах при співвідношенні рівня напруги у ланці постійного струму базового інвертору і «реактивної комірки» 3:1. Приведені результати моделювання запропонованих рішень.

Ключові слова: Несиметричний гібридний багаторівневий інвертор, релейний регулятор, реактивна комірка, попередня модуляція

Shavolkin A. The hybrid multilevel converter of frequency on the basis of the inverter of voltage with four levels

Main principles of realization of the hybrid multilevel converter of frequency on the basis of inverter of a voltage with the four levels of voltages with «a reactive cell» in output phases are considered at a ratio of a level of a voltage in a link of a direct current of the base inverter and «a reactive cell» 3:1. Results of modeling of the offered decisions are brought.

Key words: the asymmetric hybrid multilevel inverter, relay control, a reactive cell, preliminary modulation.

УДК 621.314.63

В. С. Остренко канд. техн. наук Запорізька державна інженерна академія

ВИЗНАЧЕННЯ ДОДАТКУ ДО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОВОГО ОПОРУ СИЛОВИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

Ця стаття присвячена обгрунтуванню методики визначення додатку до значення теплового опору напівпровідникового приладу для постійного струму, який дає можливість визначити максимальну температуру напівпровідникової структури приладу при навантажені імпульсами струму.

Ключові слова: силовий напівпровідниковий прилад, імпульсний режим, тепловий опір, визначення додатку, температура структури.

Визначення значення максимальної температури мірі залежить від значення цієї температури.

напівпровідникової структури силових діодів та тирис- При роботі діодів і тиристорів в режимі випрямляча

торів у заданому струмі навантаження є завжди акту- (тобто при навантаженні імпульсами струму) на віднос-

альним, бо надійність роботи цих приладів в значній но низький частоті (на частоті 50 Гц та нижче), темпе-

© В. С. Остренко 2010 р.

ратура напівпровідникової структури приладу зазнає значних коливань. Ці коливання температури напівпровідникової структури приладу відбуваються на фоні сталого значення температури. При цьому, як запропоновано у [1], значення максимальної температури напівпровідникової структури приладу визначається за формулою:

T

: P [R,h a + addR,h C (tP)] + Ta,

(1)

де T max - максимальне значення температури напівпровідникової структури; Р - середнє значення втрат потужності у приладі; Rthja - тепловий опір структура -охолоджуюче середовище; add RthjC (tp) - додатковий тепловий опір структура - корпус (основа) приладу, який залежить від форми та тривалості імпульсу струму навантаження і приводиться у інформаційних матеріалах на прилади [2], [3]; Tamb - температура охолоджуючого середовища.

Слід відзначити, не усі виробники силових напівпровідникових приладів для своїх приладів надають значення addRhjC (tp), а ті що надають, то лише для кутів провідності 180°, 120°, 60° для роботи на частоті 50 Гц. Між тим, може виникнути потреба застосування приладів, на які не надано цей додаток, або у спеціальних перетворювачах застосовані інші кути провідності і/або знижена частота. Ось чому розробка методики визначення додаткової частини теплового опору приладу при імпульсному навантажені є актуальним.

Середнє значення втрат потужності у приладі є наслідок протікання через прилад послідовності імпульсів струму, які приводять до імпульсів втрат потужності в приладі з амплітудою Р . Співвідношення між середнім та амплітудним значенням втрат потужності залежить від відносної тривалості робочого циклу:

P = P D,

(2)

де Б = (їр/їс ) - коефіцієнт заповнення циклу імпульсами; ґр - тривалість імпульсу потужності; ґс - період повторення імпульсів потужності.

Тривалість протікання струму у відкритому стані приладу достатньо велика, щоб суттєво нагріти напівпровідникову структуру вище середнього значення температури, а пауза між імпульсами струму достатньо велика, щоб вона встигла охолодитися нижче середнього рівня температури, рисунок 1. В зв’язку з цим, є певний інтерес до визначення додатку для корегування теплового опору, за допомогою якого, знаючи значення середньої температури напівпровідникової структури, можна визначити максимальне значення температури.

Для спрощення процедури визначення співвідношення між максимальним та середнім значеннями температури напівпровідникової структури приймаємо, що її нагрів та охолодження відбувається по прямим лініям АВ і ВС, відповідно, рисунок 1.

При тривалому режимі навантаження приладу, коли середнє значення температури напівпровідникової

Рис. 1. Зміна температури структури при імпульсному навантаженні струмом

структури має постійну величину, площа трикутника ЕВБ дорівнює площі трапеції ЛЕЕС, тобто:

11

- (ВО- ЕР) = - (AC+EF)OH.

(3)

З урахуванням того, що ОН = ВН - ВО, рівняння (3) приймає такий вигляд:

Е^(2БО - БИ) = (ЛС-БН) - (ЛС-БО). (4)

Так як трикутник ЕБ¥ подібний до трикутника АВС,

то:

EL = BO та EF = AC -BO AC BH BH

(5)

Згідно рисунку 1 ВО = Т. - Т, а ВН = Р 1 . (р

ґ ^ ^ у тах у т т уСу Р/

згідно з визначенням поняття перехідного теплового опору; 1. (р - перехідний тепловий опір приладу для моменту часу ґр , при цьому рівняння (6) приймає вигляд:

t - T. = р Zh C (p.

j max j т th jC v P/

(7)

З урахуванням (1) та (2) отримуємо:

T = P

j max

Rth ja +

ZthjC (tP ) D-л/2

] + T

am

Рівняння (В) можна спростити таким чином:

Tj max = P [Rlhja + Zlh add (lP)] + Tamb, (9)

де Zh add (lp) - додаток до теплового опору при визначені максимальної температури напівпровідникової структури приладу;

Zlh add (Ip) = ^DtTT , (10)

D •yl2

який чисельно має дорівнювати значенню addRhhjC (lp) у рівнянні (1).

Таким чином, отримано формулу додатку (9) до теплового опору для визначення максимальної температури напівпровідникової структури приладу.

В залежності від схеми, у якій включено напівпровідниковий прилад, імпульси струму можуть різнитися за формою та за тривалістю протікання. У таблиці 1 наведені значення множників до значення ZhhjC (lp) для найбільш поширених схем перетворення енергії.

Таблиця 1 - Значення множників до значення

Zlh jC (lP)

Форма імпульсів Синусої- дальна Прямокутна

Кут провідності 180о 180о 120о 60о

Коефіцієнт заповнення циклу імпульсами, О 0,5 0,5 0,333 0,166

Значення і / (о 72) 12) 1,41 2,12 4,26

Тривалість імпульсу ір 1), мс 10 10 6,7 3,33

Примітки:

1) На частоті 50 Гц.

2) Значення отримане з урахуванням множника

0,707.

Для визначення значення (їр) краще всього ви-

користовувати аналітичну форму представлення пере-

хідного теплового опору приладу, яку надає виробник приладів у вигляді параметрів суми експонент:

П

Z (t) =Z R (1 - exp ( - ґ/фі)), (11)

i=1

де R , ф. - параметри експонент.

Як приклад наведемо розрахунки по визначенню додатків для корегування теплового опору тиристора Т253-1250 [2], параметри експонент якого наведені у таблиці 2.

Таблиця 2 - Параметри експонент, що апроксиму-ють перехідний тепловий опір тиристора Т253-1250

і 1 2 3 4

R,°С / Вт 0,000В 0,0016 0,0037 0,0139

т, с 0,0001 0,0013 0,029В 0,9313

Значення 1Л.С (гр) та значення додатків для тиристора Т253-1250 наведені у таблиці 3.

Слід відмітити, що визначені додатки дійсні

не тільки в режимі тривалого навантаження системи прилад - охолоджувач, а і в режимі циклічного навантаження з тривалістю навантаження приладу більшою ніж час установлення постійного градієнта температури у внутрішніх елементах конструкції приладу, тобто 5 с та більше. Це означає, що при визначені максимальної температури напівпровідникової структури приладу у нестаціонарному або квазістаціонарному (циклічному) режимі навантаження до значень перехідного теплового опору, які визначені при навантажені постійним струмом, для часу 5 с та більше необхідно додавати додаток

^гИ аой(^Р).

Слід відзначити, що значення додатків, які визначені за формулою (10), є більшими у 1,5-4 рази ніж ті, що наведені в каталогах на прилади ВАТ «Электровыпрямитель» [2] та фірми АВВ [3], які наведені у таблиці 4.

Таблиця 3 - Значення додатків для тиристора Т253-1250

Форма імпульсів Синусоїдальна Прямокутна

Кут провідності 180о 180о 120о 6 О о

Тривалість імпульсу lP , мс 10 10 6,7 3,33

Значення ZhjC (lP), оС I Вт 0,0036 0,0036 0,0032 0,0027

Значення додатків Zlh add (IP), °С I Вт 0,0036-1 = 0,0036 0,0036 1,41 = 0,0051 0,0032^2,12 = 0,006В 0,00274,26 = 0,0115

Таблиця 4 - Значення додатків до теплового опору приладу для визначення значення максимальної температури напівпровідникової структури

Тип приладу Форма імпульсів Синусоїдальна Прямокутна

Кут провідності 180° 180° 120° 60°

Тривалість імпульсу tP , мс 10 10 6,7 3,33

Т233-400 Значення Zth jC (tP), 0С / Вт 0,0075 0,0075 0,0068 0,0060

Значення додатків розрахованих Z,h add (tP), °С / Вт (з каталогу) 0,0075 (0,006) 0,0106 (0,006) 0,0144 (0,008) 0,0256 (0,014)

Т143-800 Значення Zth jC (tP), 0С / Вт 0,0054 0,0054 0,0047 0,0039

Значення додатків розрахованих Zth add (,p), °С / Вт (з каталогу) 0,0054 (0,003) 0,0076 (0,0035) 0,01 (0,0055) 0,0166 (0,0105)

Т253-1250 Значення Zth jC (tP), 0С / Вт 0,0036 00036 0,0032 0,0027

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), °С / Вт (з каталогу) 0,0036 (0,0015) 0,0051 (0,002) 0,0068 (0,003) 0,0115 (0,005)

Т183-1600 Значення Zth jC (tP), 0С / Вт 0,0010 0,0010 0,0008 0,0005

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), °С / Вт (з каталогу) 0,0010 (0,0008) 0,00141 (0,0008) 0,0017 (0,001) 0,00213 (0,002)

Т163-2000 Значення Zth jC (tP), 0С / Вт 0,0025 0,0025 0,0022 0,0018

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), °С / Вт (з каталогу) 0,0025 (0,0015) 0,00352 (0,002) 0,0047 (0,003) 0,0077 (0,005)

Т173-2500 Значення Zth jC (tP), °С / Вт 0,0011 0,0011 0,0009 0,0005

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), °С / Вт (з каталогу) 0,0011 (0,0008) 0,00155 (0,0008) 0,0019 (0,001) 0,0021 (0,002)

5STP 45N2800 Значення Zth jC (tP), К /кВт 0,687 0,687 0,4597 0,2570

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), K /кВт (з каталогу) 0,687 (0,5) 0,969 (0,5) 4 ) 78 0( 1,095 (1,5)

5STP 21F1400 Значення Zth jC (tP), К /кВт 0,6187 0,6187 2,8518 1,8490

Значення додатків розрахованих Zth add (tp), K /кВт (з каталогу) 0,6187 (1,5) 0,8724 (2) 6,046 (3) 7,877 (5)

Висновок

Розроблено методику визначення додатку до зна- 2

чення теплового опору напівпровідникового приладу для постійного струму, який дає можливість визначити максимальну температуру напівпровідникової структури приладу при навантаженні імпульсами змінного струму.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

3

1. Phase Control Thyristors. Databook. Data Sheet.

User’s Guide [Електронний ресурс]: пояснення до параметрів та характеристик тиристорів. ABB Semiconductors AG, корегування 01.03.1999 - Електронні данні (1 файл: 1,06 МБ). - Lenzburg, ABB Switzerland, 1998. Режим доступу: http://search-ext.abb.com/library/Download.aspx? DocumentID=pctsek3&LanguageCode= en&DocumentPartID=&Action=Launch. вільний, —

Загол. з екрану. — Англ.

Тиристоры низкочастотные таблеточного исполнения. [Електронний ресурс]: технические данные тиристоров / ОАО «Электровыпрямитель». — Электрон. дан. (1 файл). — Россия, Саранск, «Электровыпрямитель», 2009. — Режим доступа: http://www. elvpr.ru/poluprovodnikprib/tiristory/ nizkochast tabl.php (свободный). — Загл. с экрана. Phase Control Thyristors. Data Sheet. [Електронний ресурс]: параметри та характеристики тиристорів. ABB Semiconductors AG. — Електронні данні (1 файл). — Lenzburg, ABB Switzerland, 1998. Режим доступу: http: //www. abb. com/product/

db0003db004291/c12573e7003304adc1256b820064 c0b3. aspx?productLanguage=ru&country= UA&tabKey=2, вільний, - Загол. з екрану. — Англ.

Стаття надійшла до редакції 03.08.2010 р.

Після доробки 07.10.2010

Остренко В. С. Определение дополнения к значению теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов

Эта статья посвящена обоснованию методики определения дополнения к значению теплового сопротивления полупроводникового прибора для постоянного тока, которое дает возможность определить максимальную температуру полупроводниковой структуры прибора при нагружении импульсами тока.

Ключевые слова: силовой полупроводниковый прибор, импульсный режим, тепловое сопротивление, определение дополнения, температура структуры.

Ostrenko V. Determination of complement to the value of thermal resistance of power semiconductor devices

The author justifies the procedure for determining a complement to the value of thermal resistance of a direct current semiconductor device which permits to determine a maximum temperature of the device junction when loaded by current pulses.

Key words: power semiconductor device, pulse mode, thermal resistance, determination of complement, junction temperature.

УДК 537.523.5

А. В. Єршов д-р техн. наук, Г. І. Камель д-р техн. наук, І. М. Коцур канд. техн. наук

Запорізький національний технічний університет

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ХАОТИЧНОГО СТРУМУ ЕЛЕКТРОНІВ НА ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ У ПРИАНОДНІЙ ЗОНІ РОЗРЯДУ

Розглянуто вплив співвідношення густини розрядного та хаотичного електронних струмів на падіння потенціалу у дифузійній зоні прианодноїобласті. Виконано аналіз впливу вимушеної конвекції на умови існування стійкого дифузного розряду на поверхні анода.

Ключові слова: електрон, іон, анод, падіння потенціалу, густина струму, розрядний струм, хаотичний струм, диффузійна зона, вимушена конвекція, дифузний розряд.

Проблема реалізації стійкого дифузного розряду на електродах технологічних пристроїв має значний науковий і практичний інтерес. Організація такого розряду дозволить знизити теплове навантаження й ерозію поверхні електродів, підвищити стабільність параметрів електродугових пристроїв і поліпшити якість процесів зварювання, наплавлення і плазмового напилювання.

Існуючі підходи для визначення умов переходу дифузного розряду в контрагований зв’язані з наявністю мінімуму електродного падіння потенціалу в залежності від щільності струму [1-7].

Однак складності теоретичного аналізу і недостатня точність експериментальних досліджень стримують одержання практичних рекомендацій. Сказане відноситься, насамперед, до вивчення прианодної зони розряду, де зміна потенціалу має не стрибкоподібний, а розподілений характер, що не враховано в приведених роботах. Тому, можна припустити, що існуючі методи теоретичної оцінки некоректні і вимагають подальшої розробки.

Ідея поліпшення теоретичного методу полягає в обліку сталості температури стовпа плазми при можливій зміні щільності струму в перехідній зоні. Завдання роботи полягає в розробці теоретичного методу розрахунку розподілу потенціалу у стовпі плазми перед анодом.

Дифузійна зона приелектродної області характеризується значною зміною температури і концентрації заряджених часток. Вона відділена від електрода шаром об’ємного заряду і є квазінейтральною. Причиною виникнення напруженості електричного поля є опір плазми, що зростає в приелектродній зоні, і існуючі градієнти концентрації заряджених часток. Розподіл потенціалу в дифузійній зоні знаходиться з рівнянь потоків дифузії заряджених часток у неоднорідній плазмі, а саме,

je

eDe ■dne

Ji =-

СТ^ф

dy dy

eDi ■ dni стidф

dy

dy

(і)

(2)

© А. В. Єршов, Г. І. Камель, І. М. Коцур 20і0 р.