- Расчет температурного режима силовых полупроводниковых А Г Сосков - страница 1

Страницы:
1  2 

1.Лапин Н.Г., Нестеренко А.В. Электронный счетчик электроэнергии и его функ­циональные возможности // Энергетика и электрификация. - 2000. - №2. - С. 31-32.

2.Концепция построения автоматизированных систем учета электроэнергии в ус­ловиях энергорынка. - К.: НКРЭ Украины, 2002.

3.Железко Ю.С. Оценка потерь электроэнергии, обусловленных инструменталь­ными погрешностями измерения // Электрические станции. - 2001. - №8. - С. 19-24.

4.www.nice.nnov.ru/Ru/literat/J1_99/Loskuto1/htm

5 .Методические указания по определению погрешности измерения активной элек­троэнергии при ее производстве и распределении. РД 34.11.325 - 90. - М.: СПО ОРГРЭС,

1991. - 21 с.

Получено 14.02.2003

 

УДК 621.316

А.Г.СОСКОВ, д-р техн. наук, П.Н.АЛАЕВ

Харьковская государственная академия городского хозяйства И. А. СОСКОВА, канд. техн. наук

Украинская инженерно-педагогическая академия, г.Харьков

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ПРИЖИМНЫМИ КОНТАКТАМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ТОКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Выполнен аналитический расчет температуры полупроводниковой структуры силовых полупроводниковых приборов с прижимными контактами на основе несиммет­ричной тепловой модели, учитывающей реальное распределение тепла в приборе при воздействии на него кратковременных (до 0,02 с) токовых импульсов произвольной формы.

В аппаратостроении при создании гибридных и бесконтактных электрических аппаратов широко используют такие силовые полупро­водниковые приборы (СПП), как мощные тиристоры и диоды с при­жимными контактами. При работе этих аппаратов как в нормальных, так и в аварийных режимах, СПП, обеспечивающие в них бездуговую коммутацию электрической цепи, подвергаются воздействию длитель­ных и кратковременных токовых нагрузок, причем, в последнем слу­чае токовый импульс может принимать произвольную форму [1]. Для расчета температурного режима СПП при длительном воздействии токов нагрузки (более 0,05 с) хорошо зарекомендовал себя традицион­ный графоаналитический метод, основанный на использовании пере­ходного теплового сопротивления СПП, которое приведено в справоч­ных материалах. В импульсном режиме из-за недостаточной точности значений для переходного теплового сопротивления СПП в диапазоне малых времен (менее 0,02 с) более приемлемым является аналитиче­ский расчет температуры полупроводниковой структуры на основе обоснованно упрощенной тепловой модели СПП [1].Целью данной работы является разработка аналитического мето­да расчета теплового режима широко распространенных мощных ти­ристоров (на токи до 320 А) с прижимными контактами при воздейст­вии на них кратковременных (до 20 мс) импульсов тока произвольной формы, в том числе имеющих место при использовании их в составе электронных ключей аппаратов.

На рисунке приведена предлагаемая авторами расчетная тепловая модель СПП таблеточного типа с прижимными контактами. В ней кремниевая пластина полупроводниковой структуры СПП находится в тесном тепловом контакте справа с вольфрамовым термокомпенсато­ром, а слева - с медным основанием прибора. При этом слои меди и вольфрама представлены в виде полуограниченных тел. Правомер­ность такой замены для малых отрезков времени (порядка 0,02 с) пока­зана в [1]. Кроме того, в модели не учтен тонкий слой (порядка 0,1 мм) припоя между кремниевой пластиной и вольфрамовым компенса­тором и тонкая прокладка (до 0,2 мм) на основе олова между кремнием и медью. Эти слои компенсируются соответствующим увеличением толщины кремния, которая по тепловому сопротивлению равна убран­ным слоям, что также допустимо при малых толщинах слоев контакт­ного материала [2].

Так как при прохождении через СПП импульса тока теп­ло выделяется в основном в //^-переходах центральной час­ти кремниевой пластины, то для нашего случая целесооб­разно представить источник тепла в виде плоского источ­ника, расположенного в центре кремниевой пластины.

Решение уравнений теплопроводности для этой модели проводим при следующих допущениях: начальная температура всех элементов модели одинаковая; градиент температуры в плоскости, перпендику­лярной к продольной оси модели, равен нулю; выделением тепла во время токовой нагрузки в меди и вольфраме пренебрегаем; теплофи-зические параметры материалов не зависят от температуры; вольт-амперная характеристика СПП в прямом направлении аппроксимиру­ется пороговым напряжением  Uo и линейной зависимостью от тока

при  U > Uo , определяемой дифференциальным сопротивлениемRд [1, 2].

Форму импульса тока в СПИ ij (t) принимаем произвольной.

Распределение температуры в данной несимметричной модели СПП можно представить следующими системами уравнений:

а) для правой части

дв1      Э 2q   дв2       Э 2в2

Эх2 Эх2 где переменные и параметры с индексом 1 относятся к кремниевой пластине, а с индексом 2 - к вольфраму; О - превышение температу-Л

ры; a =---         - коэффициент температуропроводности; Л - коэффи-

cg

циент теплопроводности; c - удельная теплоемкость; g - удельная плотность.

Граничные и начальные условия для системы уравнений (1) сле­дующие:

1)х = 0, -Л М = Ml, P1(t) = a(t)^iT(t)\u0 + iTRд), Эх S

где a(t) - коэффициент, учитывающий долю мощности, которая ухо­дит в правую часть модели; iT (t ) - мгновенное значение тока, проте­кающего через СПП; S - сечение кремниевой пластины в центре.

 

Эх Эх 3) х ®¥ , 02 = 0, при t = 0 , 01 = 02 = 03 ;

б) для левой части

ЭО        Э О   Э03 Э203

—1 = ai------ г1; 3 = a3------- т3-, (2)

Эх2 Эх2 где переменные и параметры с индексом 3 относятся к меди.

Граничные и начальные условия для системы уравнений (2) сле­дующие:

1) х=0, 1 ■Э°- = Ml, P2 (t ) = (1 -a(t)) іт (t Уо + iT (t )■ R д ). Эх S

Остальные условия такие же, как и в предыдущем случае. Так как решения уравнений для левой и правой части идентичные, рассмотрим решение только для правой части модели. Для решения системы урав­нений (1) используется интегральное преобразование Лапласа. Систе­ма уравнений (1) в операторной форме относительно переменной р приобретет видрЭ0 (Р ) =       ; Р*в2 (р ) = а2Е1

Эх                                     Эх2


(3)Решение этой системы [3]р


рq(р) = A1 -jai   + A2 є Ь   ; q2(p) = B1 J"2   + B2 e V°2   . (4)

р

Так как при х®°° 02 ) = 0, то В1=0, т.е. 02 ) = B2 e     2 .

На основании граничных условий 1) и 2) после соответствующих преобразований получим искомое выражение для определения макси­мального значения превышения температуры полупроводниковой структуры СПП (х=0)01 ,0) = ^тах (Р) = *1 (Р


4*4

 

1 + к пр


 

e


-2,k

ь 1 IJa^- к пр -e


-2-1


(5)-2, Р k1 + кпр


eДля на-

 

где fx (-у/1 (t)=Щ±, кпр =Ь-^-,    =4l- &

хождения оригинала выражения (5) применим теорему Бореля [3]:Fx (p)-F2 (p)+ J f (t— t)-/2 {tYt,


(6)0

где F2 (p) - часть выражения (4), заключенная в квадратные скобки.

Так как оригинал Fx (p) известен, то остается найти только функцию f2 (т), т.е. оригинал изображения F2 (p). Для этого вос­пользуемся способом обратного преобразования Лапласа, основанным на разложении функции F2 (p) в ряд Маклорена [3]. Выполнив соот­ветствующие преобразования, получимF2„


A vp »=i


/     і 1     і И—1


—2p lxin—1)


—2 и ■ і


p


■1

Z пр (n) = Z

"=1


 

уІЛ-t


f 2- [и—1} У

4-1


a


 

(—1)П—1-к "пр­


1


2- и ■ V

4-t


a


I

 

IТогда на основании (6)

впр max (t )=        a1 г-  Ja(t       T (t t)-(u 0 + h (t t) - r Д ) - ~r-z пр ,

A s -4 k 0                                     V t

где 0 < t £ tu, tu - длительность импульса тока. Или


(7)1

впр max (t) = ~Ja(t      't (t t)-(u0 + 't (t t)-R Д )- Ар WT, (8)

0

Ja

где Ар (т) =          Л~ - Zпр (И) .

A ЫК Т

Выполнив аналогичные преобразования с системой уравнений (2), получим выражение для максимального превышения температуры полупроводниковой структуры для левой части модели:в nee max (t) = - • J (1 " a(t - і))iT (t -т)- (и 0 + іт (t -і)- Яд \ fnee {l)dT , (9) 0

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

- Неизлечимая болезнь

- Страдания и беды

- Обращение

- Глосарій

- Structural refinements on intermediate phases -Автор неизвестен