Разработка и производство электронных компонентов и устройств светодиодные лампы и твердотельные реле
Группа компаний "Протон"
В статье приведена методика теплового расчета твердотельных реле, в которых в качестве ключа используются тиристоры и транзисторы МОП и IGBT.
Отечественная промышленность освоила широкую номенклатуру твердотельных реле (ТТР). Эти изделия являются тепловыделяющими приборами, поэтому в основе их надежной работы лежит правильный выбор тепловых режимов. В данной статье рассматривается расчет тепловых режимов ТТР, которые имеют встроенный радиатор и предполагают возможность установки дополнительного теплоотвода. Предлагаемые способы расчета являются оценочными и поэтому в них использованы следующие допущения:
тепловое сопротивление ТТР не зависит от рассеиваемой на нем мощности;
процессы нарастания/спада тока и напряжения при переходных режимах линейные;
в закрытом состоянии ТТР рассеиваемая мощность равна нулю.
В статье используются следующие термины:
Температура перехода тепловыделяющих приборов определяется по формуле:
Tпер=Tср + (Rпр + Rрo + Rоср)*P. (1)
В этой формуле:
Tпер — температура перехода силового элемента;
Tср — температура окружающей среды;
P — мощность, выделяющаяся на переходе;
Rпр — тепловое сопротивление переход—радиатор ;
Rрo — тепловое сопротивление радиатор—охладитель ;
Rоср — тепловое сопротивление охладитель—среда .
Обычно тепловое сопротивление радиатор-охладитель Rрo значительно меньше, чем Rпр и Rоср, поэтому для практических расчетов можно записать:
Необходимо отметить, что Pдин иногда превышает Pстат, особенно при высокой частоте переключения, т.е. в случае, когда период переключения сравним со временем включения и выключения ТТР. Если же большую часть времени ТТР находится во включенном состоянии (при низкой частоте переключения), Pдин можно пренебречь.
Расчет статической мощности на переходе определяется типом коммутирующего элемента.
Для ключа на МОП-транзисторе:
Для IGBT-транзистора и тиристора:
Вторая составляющая Pдин обусловлена тем, что ключ во время переходного процесса находится в активном состоянии. Мощность, выделяемая на переходе во время переключения ТТР значительно выше мощности, выделяемой во включенном состоянии. Качественно зависимость Pдин(t) показана на рисунке 1 .
Расчет Pдин проводят по формуле:
В формуле (8) величина (Iком x Uком/6) x (tвкл + tвыкл) представляет собой энергию переключения Eпер за один цикл коммутации. Значение величины Eпер получено путем интегрирования произведения Iком x Uком за период времени включения и выключения ТТР.
Для примера рассмотрим количественное соотношение Pст и Pдин в твердотельных реле с тиристорным ключом, управляемым симисторным оптроном и реле с ключом на JGBT-транзисторе, управляемым фотоволь-таическим оптроном.
Для тиристорного ключа при действующем значении тока коммутации 10 А статические потери мощности составят примерно 10 Вт (Pст =Iком x Uост), т.к. остаточное напряжение составляет примерно один вольт.
Рассчитаем динамические потери мощности при самом неблагоприятном случае, когда включение происходит при максимальном значении синусоидального напряжения. Используя формулу 8, имеем:
Рассчитаем теперь статические и динамические потери мощности в реле постоянного тока при токе коммутации 10 А, напряжении коммутации 300 В, временах включения и выключения 10 мс, остаточном напряжении 2 В, частоте коммутации 50 Гц.
В результате вычислений получим: Pст = 20 Вт, Pдин = 250 Вт. Очевидно, что в данном случае определяющими являются динамические потери. Ниже приводится последовательность расчета тепловых режимов.
1. Определяется статическая мощность, рассеиваемая на переходе.
Для ТТР с МОП-транзистором в качестве ключа:
Для импульсного режима необходимо учесть скважность:
Эта формула верна для прямоугольных импульсов, при другой форме импульсов тока расчет приводится в технической литературе.
2. Определяется динамическая мощность, рассеиваемая на переходе:
По полученной величине выбирается необходимый охладитель и скорость обдува его воздухом, если это необходимо.
Типы охладителей и их параметры приведены на сайте ЗАО «Протон-Импульс»: www.proton-impuls.ru
Литература: