Расчет тепловых потерь мощного ключа

Типовой расчет потерь ключа основан на типовых формах токов и напряжений. Реальные кривые имеют отличительные особенности, связанные с переходными процессами и действием паразитных элементов схемы. На рис. 4.1 показан типовой процесс кривых тока и напряжения в переходном процессе включения и выключения полупроводникового ключа для индуктивной нагрузки [9]

Мощность потерь транзистора равна:

.

где – максимальный ток стока мощного транзистора в пусковом режиме (Iпус)=4,26 А;

= 150 В;

для транзисторов MOSFET,

Т – период коммутации=404 мкс;

tвыкл – время выключения VT (время спада тока стока)=21 нс;

tвкл – время включения мощного транзистора (время нарастания тока стока – справочная величина) =31 нс;

Необходимо проверить правильность временных параметров в соответствии с выражением:

(самая опасная ситуация для ключей).

Отсюда можно определить tоткр

 

 

 

Тогда рассчитаем мощность потерь транзистора:

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. Типовые кривые переходного процесса при включении и выключении ключа

на индуктивную нагрузку

После вычисления Pтр эту величину сравнивают с Pдоп VT. Если выполняется соотношение , то выбор VT произведён корректно и необходимо определить допустимую температуру переходов транзистора для обеспечения рассчитанной мощности в соответствии с рис. 4.2 (справочная зависимость для VT типа MOSFET).

Для данного типа MOSFET транзистора в справочном материале нету зависимости Рдоп (t˚C), тогда взяв справочные величины Рдоп при t˚C=25˚C (Рдоп 25 = 330 Вт) и коэффициент снижения Ксниж (в Вт/˚C) (Ксниж =2,2 Вт/˚C) можно построить зависимость самому. Тогда зависимость мощности рассеивания от температуры определяется следующей зависимостью:

 

Исходя из полученой зависимости определим T2:

Расчет площади теплоотвода можно производить в соответствии с формулой [5, c. 117].

[см2],

где Pтр – мощность VT, полученная из расчетов=2,51 Вт;

KT – коэффициент, характеризующий радиатор. Для алюминия чернёного ;

tc – максимальная температура среды = 20 ;

Rп–к – тепловое сопротивление переход–корпус=0,45 ;

RTKM – тепловое сопротивление корпус–радиатор и, применяя шлифовку контакта корпус–радиатор, различные пасты, медные шайбы, можно принять, что = ;

Tп max – min (T1˚C, T2˚C);

Так как ранее рассчитанное значение температуры T1=170 ˚C < T2=174 ˚C то полученное значение Tп max будет равно:

Tп max=170 ˚C.

Тогда после подстановки значений, неравенство для определения мощности радиатора примет вид:

 

Рдоп, Вт

 

 

Pтр

 

t, ˚C

 

Рис.4.2. Зависимость Рдоп=f(t˚C) для VT

 

 

Задатчик

Для терморезистивного датчика из таблицы 5.1 берутся данные для построения характеристики R=¦(t°C) (рис. 5.1). Уравнения этой прямой предоставим в канонической форме:

Тогда после подстановки значений из технического задания, получим:

Таблица 5.1

Тип Градуи–ровка Предел измерения, °С Зависимость сопротивления от температуры, °С / Ом
ТСП­­–175 (-10)–(+400) -10/44,17 100/63,99 250/89,46 400/114,72

 

Откуда получаем:

 

 
Рис.5.1. Выходная характеристика датчика

 

 

Для заданного диапазона температуры (– 10°С – 400°С) определяется диапазон изменения сопротивления датчика (R2 min=44,17 Ом, R2 max = 114,72 Ом).

Наиболее часто датчик включается в мостовую схему вида рис. 5.2.

Рис 5.2. Задатчик: двухпроводная схема подключения датчика температуры(а);

трехпроводная схема подключения датчика температуры(б)

 

Резистор R2 – это сам датчик, R5 – непосредственно задатчик, который позволяет установить требуемую температуру, и его можно оцифровать не в Ом, а в t°С. При достижении температуры мост будет уравновешен и Uвых=0. Для расчета всех резисторов можно воспользоваться известным соотношением для уравновешенного моста, причем стоит задача рассчитать R5 так, чтобы обеспечить работу системы во всем заданном диапазоне работы датчика. При R2 min мост уравновешен, когда движок R5 будет находиться в крайнем левом положении, т. е. будет справедливо равенство

R2 min(R4+R5)=R1 R3.

Когда температура максимальная, то равновесие моста будет при движке R5 вправо и тогда R2 max R4=(R1+R5) R3.

Есть два уравнения и 4 неизвестных R1, R3, R4 и R5. Поэтому необходимо задать величины двух любых резисторов (желательно не R5) и решить эту систему уравнений, при этом следует учитывать две проблемы:

1) желательно, чтобы мост состоял из низкоомных резисторов (выходное сопротивление моста будет меньше, что повысит точность системы и будет легче его настройка);

2) ток через датчик должен быть такой, чтобы не было эффекта саморазогрева датчика от источника E1. Следует знать этот ток или допустимую мощность рассеивания и проверить в рассчитанной схеме следующее неравенство: IR2<Iсаморазг (обычно Pдат£1 мВт).

Поэтому обычно не задают, а рассчитывают исходя из этого условия. Вначале находят допустимый ток через датчик:

,

так как,

 

( ).

Исходя из выше приведённых формул определяют величину :

 

 

Берем значение по ГОСТ R3 = 1100 Ом c мощностью рассеивания

, Такую же величину берем и для резистора R4 = 1100 Ом , решая систему уравнений, записанную ранее, получим;

 

 

Затем необходимо уточним баланс моста для R2 min или R2 max, т.е. определим Uвых (например, для R2 min), приняв E1=5 В:

; (5.1)

 

; (5.2)

 

ε1= Uaв= Uас – Uвс .

ε1= Uaв= Uас – Uвс= 0,000000 В.

 

Затем определим R2 (отличное от R2min) при уходе температуры на 1% от заданного диапазона. Если рассчитываемый диапазон Dt˚C=400 – (–10)=410°С, 1% составит 4,1 °С, т. е. необходимо определить R2 при t˚C= –10+4,1= -5,9°С.

Затем эту величину подставляем в (5.2) и определяем ε1

ε1= Uaв= Uас – Ubс1= 0,00296 В.

 

Это уже будет напряжение на выходе задатчика, которое и должна отрабатывать САУ (будет определять ее чувствительность или точность).

Трехпроводная схема (рис. 5.2, б) компенсирует погрешности соединительных проводов.

Таким образом выбрали резисторы по ГОСТ R3 = R4 = 1100 Ом типа МЛТ c мощностью рассеивания . Резистор R1 выбираем по ГОСТ МЛТ номиналом R1 =47 Ом с мощностью рассеивания 0,125 Вт. В качестве потенциометра R5 используем подстроечный резистор СП3-38а, сопротивлением

R5 =68 Ом по ГОСТ, c мощностью рассеивания 0,125 Вт;