4 HLAJENJE VENTILOV. prevodnih izgub zapornih in blokirnih preklopnih krmilnih.

Transcript

1 4 HLAJENJE VENILOV Med obratovajem astaejo a polprevodiških vetilih izgube v obliki toplote. Ker se ta toplota sprošča v silicijevi tabletki, ki ima zelo majhe volume i debelio le ekaj desetik milimetra, se temperatura tabletke lahko zelo hitre dvige a edopusto velike vredosti, če e uspemo učikovito odvajati te toplote prek hladilih teles a okolico. Celote izgube a vetilih so sestavljee iz: prevodih izgub zaporih i blokirih preklopih krmilih. emperatura zaporih plasti v polprevodiških vetilih e sme med obratovajem trajo prekoračiti ekaj zgorjih mej, ker se sicer ajprej poslabšajo blokira apetost, kritiča strmia (du /dt) krit i sprostitvei čas t q. Poavadi zaša ta zgorja dovoljea obratovala temperatura pri tiristorjih 125 o C, pri silicijevih diodah 2 o C i pri močostih trazistorjih 2 o C. Seveda teh maksimalo dovoljeih temperatur e moremo v ormalem obratovaju povsem izkoristiti, ker moramo račuati z eko rezervo, če bi prišlo med obratovajem do občasih preobremeitev. Med obratovajem lahko toki zaradi motej kratkotrajo porastejo čez azivo vredost i lahko temperaturo zaporih plasti prehodo ekoliko povečajo čez prej avedee vredosti, e da bi se zato karakteristike vetilov bistveo poslabšale. Pri večjih kratkotrajih temperaturih porastih (pr. pri tiristorjih med 2 i 4 o C) pa že astopijo traje okvare oz. uičeja. Za polprevodiške vetile podajajo proizvajalci tudi ajižje dovoljee obratovale temperature. Na primer pri tiristorjih je to med o C i 65 o C, ker astopijo tedaj potrebe po zelo velikem krmilem toku. Projektat mora problemu hlajeja vetilov posvetiti veliko pozorost, ker je to pogoj za dobro izkoriščeost vetilov i za zaesljivo obratovaje. 65

2 4.1 Električe izgube Izgubo električo moč p a vetilu podaja produkt treute apetosti u A i treutega toka i A v vetilu: p(t) = u A. i A Pri periodičem obratovaju je sredja izguba moč P: 1 P = 1 p( t) dt = u i dt A A pri čemer je čas ee periode. Z itegracijo po času lahko ato izračuamo izgubo eergijo W, ki se sprošča kot toplota v vetilu. Izgube prevajaja p astopajo, ko vetil prevaja električi tok. Če upoštevamo u/ikarakteristiko silicijeve diode i tiristorja, je apetost (oz. apetosti padec) a prevajajočem vetilu: u = U (O) + r. i Sledi povpreča izguba moč zaradi prevajaja P : P = ( U( ) r i ) i dt U( ) i dt r + = + i dt = U 2 ( ) I AV + r I 2 Aef Vidimo, da so izgube prevajaja odvise tako od aritmetiče sredje vredosti vetilskega toka I AV, kakor tudi od jegove efektive vredosti I Aef. o pa pomei, da moramo pri račuaju dovoljeih mejih vetilskih tokov vedo upoštevati obliko periodičega vetilskega toka! Pri vetilih, ki obratujejo z izkimi frekveacmi do 5/6 Hz, prispevajo k celotim vetilskim izgubam v glavem le izgube prevajaja p. Izgube zapiraja p R astopijo a vetilu, ko le-ta e prevaja (ko je iverzo polarizira) i ko teče le zelo majhe iverzi tok i R. Izguba moč: p R = u R. i R je zelo majha i je v skupi bilaci poavadi zaemarljiva. Podobo so izgube blokiraja p D, ki astopijo a tiristorju, ko le-ta blokira apetost u D i teče pri tem le zelo majhe blokiri tok i D (glej sl. 3.2). udi ta izguba moč: 66

3 p D = u D. i D je zelo majha i v skupi bilaci zaemarljiva. Ko prehajajo vetili iz zaporega (oz. blokirega pri tiristorju) v prevodo staje i arobe, astopajo a jih t.i. diamiče ali preklope izgube. V prehodih pojavih so lahko izgube moči p zelo velike, saj zašajo pr. pri prehodu tiristorja iz blokirega v prevodo staje v tokokrogih s stadardimi komutacijskimi iduktivostmi ekaj kw. Ker pa so prehodi (preklopi) hitri i trajajo le ekaj µs, je sproščea izguba električa oz. toplota eergija praviloma zelo majha i jo lahko zato v skupi bilaci zaemarimo. Vedar le tako dolgo, dokler obratujejo vetili periodičo s preklopimi frekvecami do 5/6 Hz. Pri višjih preklopih frekvecah ekaj 1 Hz ali celo ekaj khz pa se preklope izgube seštevajo i v skupi eergetski izgubi bilaci celo prevladujejo! ako lahko pri silicijevih diodah i tiristorjih, ki obratujejo s preklopimi frekvecami ad 1 khz, i pri močostih trazistorjih, ki obratujejo s preklopimi frekvecami več 1 khz do 1 khz, vse ostale izgube v primerjavi s preklopimi zaemarimo. Razumljivo je, da smemo zato vetile, ki obratujejo z velikimi delovimi frekvecami, tokovo precej maj obremeiti. Pri krmiljeih vetilih astopajo dodato še krmile izgube p G. Pri tiristorjih povzroči krmili tok i G treuto krmilo izgubo moč: p G = u G. i G Sredjo krmilo moč P G lahko izračuamo iz krmile karakteristike tiristorja i iz oblike krmilega tokovega impulza. Pri pravilo izvedeih prožejih je ta izguba moč zaemarljivo majha, raze kadar obratujemo z zelo visokimi frekvecami. 4.2 ermičo adomesto vezje Zaradi električih izgub prihaja do segrevaja vetilov. Da temperatura silicijeve tabletke e prekorači dopuste vredosti, moramo poskrbeti za dobro odvajaje izgube toplote iz tabletke a okolico, t.j. za jeo hlajeje. Zato ameščamo vetile a ustreza hladila telesa, ki aj omogočijo čim boljše odvajaje toplote a okolico (ajvečkrat je to kar okoliški zrak). Čim boljše je odvajaje oz. hlajeje, tem bolj lahko vetil tokovo obremeimo, e da bi presegli dopusto temperaturo tabletke. Natače toploti izraču i može. Za poeostavljeo račuaje pa si lahko pomagamo s termičim adomestim vezjem, ki ga kaže pr. sl Posamezim delom dodelimo temperature ϑ S, ϑ, ϑ H i ϑ O. Izguba moč P prehaja iz tabletke a okolico prek termičih uporosti med posamezimi deli: R S, R H i R HO. S tem poeostavljeim adomestim vezjem lahko račuamo podobo kot z električim vezjem, le da astopajo amesto električih 67

4 apetosti sedaj temperature razlike, amesto električega toka izguba moč P i amesto električih uporosti termiče uporosti. S sl. 4.2 lahko ob upoštevaju trajega (stacioarega) obratovaja s kostato izgubo močjo P v tabletki, ki se pretaka a okolico, apišemo eačbo ustrezo ohmovemu zakou: ϑ S = P. (R S + R H + R HO ). ϑ O ϑ S je sredja temperatura tabletke; temperatura razlika ϑ S -ϑ O (ustreza električi apetosti!) povzroča pretok moči P čez termiče uporosti. V eačbi so pozae: izguba moč P, temperatura ϑ O okoliškega hladilega medija (pr. zraka), toplota uporost R S (podajajo jo proizvajalci vetila) ter toplota uporost R H +R HO, ki upošteva toploto prehodost med telesom vetila, hladilim telesom i okoliškim hladilim medijem. Izračuaa temperatura tabletke ϑ S mora biti ižja od dopuste vredosti. Da dosežemo čim majše vredosti za R H, moramo apraviti čim boljši termiči stik med telesom vetila i med hladilim telesom: stiči ploskvi morata biti veliki, ravi i tesi, pomagamo pa si lahko še s posebimi toploto prevodimi pastami (masami) itd. Vredost R HO je odvisa od velikosti i izvedbe hladilega telesa ter od ačia hlajeja (aravo-pospešeo, zračo-tekočisko). Iz adomeste sheme a sl. 4.2 lahko izračuamo tudi vmesi temperaturi ϑ H i ϑ. Če izguba moč P v tabletki i kostata, (pr. pri spremeljivih tokih) so tudi vse temperature, raze ϑ O, podvržee spremembam. P ϑ S R S ϑ R H ϑ H R HO ϑ O Slika 4.1: Polprevodiški vetil s hladilim telesom za zračo hlajeje ter termiča adomesta shema za stacioare razmere: ϑ S -temperatura silicijeve tabletke, ϑ -temperatura telesa vetila, ϑ H -temperatura hladilega telesa, ϑ O temperatura okoliškega zraka, R S -termiča uporost med tabletko i telesom vetila, R H -termiča uporost med telesom vetila i hladilim telesom, R HO -termiča uporost med hladilim telesom i okolico 68

5 Notraja toplota uporost Zuaja toplota uporost Izguba moč P R S R H R HO ϑ S ϑ ϑ H ϑ O Slika 4.2: Poeostavljeo adomesto termičo vezje tiristorja s hladilim telesom za stacioaro obratovaje P R S R H R HO ϑ S ϑ ϑ H ϑ O Slika 4.3: ermičo adomesto vezje ekega tiristorja s hladilim telesom za impulzo obratovaje Nadomesto termičo vezje a sl.4.2 e upošteva toplotih kapacitet posamezih delov. Zato to vezje i primero za izraču, če obratuje vetil estacioaro ali pulzo (prekijevalo). V tem primeru lahko uporabimo adomesto vezje a sl V jem so dodato upoštevae toplote kapacitete posamezih delov (s toplotimi kapacitivostmi). Vsak astali RC-čle ima svojo termičo časovo kostato: τ = R C Iz te verige RC-čleov izhaja t.i. trasieta toplota uporost Z tr : Z tr = m = = 1 R 1 e t τ a uporost je lahko podaa grafičo v odvisosti od časa (sl.4.4). Z jeo pomočjo lahko izračuamo temperaturo tabletke ϑ S pri različih časovih potekih izgube moči p(t). Sl. 4.5 kaže takše potek za dva različa poteka impulzov p(t). 69

6 S hladilim telesom Z tr 1-3 Samo za prehod S Slika 4.4: rasieta toplota uporost Z tr ekega tiristorja s hladilim telesom t p p P P ϑ S η S ϑ S ϑ S 1 2 t t Slika 4.5: emperatura tabletke ϑ S pri: (a) posamičih pulzih izgube moči, (b) pri zaporedih pulzih izgube moči 4.3 Hladila telesa i amestitev vetilov Večia proizvajalcev vetilov dobavlja tudi ustreza hladila telesa. oplota uporost R H + R HO hladilega telesa je odvisa od materiala, od kostrukcije i od velikosti hladilega telesa ter od hitrosti oplakovaja s hladilim medijem (zraka, tekočie). Hladila telesa so pretežo iz alumiijevih zliti, bogato arebričea, da imajo čim večjo površio, i so ajvečkrat čro eloksiraa, da je koeficiet sevaja velik. Posebo pozorost je treba posvetiti toplotemu uporu med telesom vetila i med hladilim telesom. Majhe vetile poavadi kar vtisemo v hladilo telo (ploščo). Nekatera telesa vetilov so opremljea tudi z vijakom, da lahko apravimo vijačo povezavo. Pozor: izvrtia v hladilem telesu mora biti apravljea točo pravokoto a površio, sicer vetil e alega s svojo celoto kotakto ploskvijo i je prehod toplote slab! Diode i tiristorji za sredje velike toke, ki so opremljei z vijačim astavkom, uvijemo v hladilo telo, ki ima avoj. elo vetila se ahaja a potecialu aode ali katode. Zato moramo večkrat hladilo telo električo izolirati od telesa vetila. Namestimo ga prek vmese izolacijske 7

7 ploščice (podložke). a ploščica mora biti taka i toploto dobro vodljiva, hkrati pa mora dobro električo izolirati. Odliče ploščice so iz arave sljude, v ovejšem času pa tudi iz umetih sovi (berilijev oksid BeO). Obstajajo tudi ploščice iz posebih epoksidih mas (z debelio,15 mm i s prebojo trdostjo preko 1 kv). Včasih ameščamo iz ekoomskih razlogov več vetilov a skupo hladilo telo. Če so telesa teh vetilov a različih električih potecialih (pr. vetili v eofazem mostu, moramo apraviti opisao izoliraje med vetili i hladilim telesom. elesa diod i tiristorjev za večje toke ali za velike obratovale frekvece, pri katerih je izguba moč velika, so izdelaa s ploščatim dom, ki ima relativo veliko kotakto površio. Na hladilo telo je tak vetil privijače preko posebega obroča. Vetile za ekstremo velike toke pa je treba hladiti dvostrasko. Izdelai so v obliki ploščka (kot hokejski!), ki ga potem z vijaki vpemo med dve hladili telesi. 71