Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы
На базе предложенной авторами симметричной трехслойной тепловой модели мощных тиристоров с припаянными контактами получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать тепловой режим этих тиристоров при воздействии импульсов тока произвольной формы....
Збережено в:
| Дата: | 2003 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2003
|
| Назва видання: | Електротехніка і електромеханіка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143620 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы / А.Г. Сосков, П.Н. Алаев, И.А. Соскова // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-143620 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1436202018-11-08T01:23:10Z Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы Сосков, А.Г. Алаев, П.Н. Соскова, И.А. Електричні машини та апарати На базе предложенной авторами симметричной трехслойной тепловой модели мощных тиристоров с припаянными контактами получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать тепловой режим этих тиристоров при воздействии импульсов тока произвольной формы. На базі запропонованої авторами симетричної тришарової теплової моделі потужних тиристорів із припаяними контактами отримані аналітичні вирази, що дозволяють розраховувати тепловий режим цих тиристорів при впливі імпульсів струму довільної форми. On the basis of symmetrical three-zonal thermal model of power thyristors with soldered contacts is offered and analytical expressions for thermal mode of these thyristors at effect of current impulses of the arbitrary form are obtained. 2003 Article Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы / А.Г. Сосков, П.Н. Алаев, И.А. Соскова // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143620 621. 316 .5:621 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати |
| spellingShingle |
Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Сосков, А.Г. Алаев, П.Н. Соскова, И.А. Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы Електротехніка і електромеханіка |
| description |
На базе предложенной авторами симметричной трехслойной тепловой модели мощных тиристоров с припаянными контактами получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать тепловой режим этих тиристоров при воздействии импульсов тока произвольной формы. |
| format |
Article |
| author |
Сосков, А.Г. Алаев, П.Н. Соскова, И.А. |
| author_facet |
Сосков, А.Г. Алаев, П.Н. Соскова, И.А. |
| author_sort |
Сосков, А.Г. |
| title |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| title_short |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| title_full |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| title_fullStr |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| title_full_unstemmed |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| title_sort |
расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| publishDate |
2003 |
| topic_facet |
Електричні машини та апарати |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143620 |
| citation_txt |
Расчет нагрева мощных тиристоров с припаянными контактами в составе электронных ключей при воздействии импульсов тока произвольной формы / А.Г. Сосков, П.Н. Алаев, И.А. Соскова // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Електротехніка і електромеханіка |
| work_keys_str_mv |
AT soskovag rasčetnagrevamoŝnyhtiristorovspripaânnymikontaktamivsostaveélektronnyhklûčejprivozdejstviiimpulʹsovtokaproizvolʹnojformy AT alaevpn rasčetnagrevamoŝnyhtiristorovspripaânnymikontaktamivsostaveélektronnyhklûčejprivozdejstviiimpulʹsovtokaproizvolʹnojformy AT soskovaia rasčetnagrevamoŝnyhtiristorovspripaânnymikontaktamivsostaveélektronnyhklûčejprivozdejstviiimpulʹsovtokaproizvolʹnojformy |
| first_indexed |
2025-07-10T17:34:54Z |
| last_indexed |
2025-07-10T17:34:54Z |
| _version_ |
1837282257530781696 |
| fulltext |
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №2 55
УДК 621. 316 .5:621
РАСЧЕТ НАГРЕВА МОЩНЫХ ТИРИСТОРОВ С ПРИПАЯННЫМИ КОНТАКТАМИ
В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСОВ ТОКА
ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ
Сосков А.Г., д.т.н., проф., Алаев П.Н., аспирант
Харьковская государственная академия городского хозяйства
Украина, 61002, г. Харьков, ул. Революции, 12, ХГАГХ, кафедра «Электротехника»,
Тел.(0572) 45-90-11
Соскова И.А., к.т.н.,
Украинская инженерно-педагогическая академия
Украина, 61003, г.Харьков, ул.Университетская, 16, УИПА, кафедра «Теоретическая и общая электротехника»,
Тел.(0572) 20-63-73
На базі запропонованої авторами симетричної тришарової теплової моделі потужних тиристорів із припаяними
контактами отримані аналітичні вирази, що дозволяють розраховувати тепловий режим цих тиристорів при впли-
ві імпульсів струму довільної форми.
На базе предложенной авторами симметричной трехслойной тепловой модели мощных тиристоров с припаянными
контактами получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать тепловой режим этих тиристоров
при воздействии импульсов тока произвольной формы.
Элементная база современной силовой электро-
ники позволила расширить диапазон коммутируемых
мощностей электронными ключами до единиц мега-
ватт при существенном увеличении верхнего уровня
частоты их коммутации до сотен килогерц, что сдела-
ло возможным создавать на их основе гибридные и
бесконтактные электронные аппараты управления,
регулирования и защиты переменного и постоянного
тока с высокими технико-экономическими показате-
лями [1,2,3].
Однако в связи с тем, что и современные элек-
тронные ключи продолжают существенно уступать по
перегрузочной способности по току контактным клю-
чам традиционных аппаратов, по-прежнему, является
актуальным решение тепловых задач, направленных
на определение предельной перегрузочной способно-
сти электронных ключей, выполненных, как правило,
на основе мощных тиристоров и используемых в со-
ставе указанных выше аппаратов. Это положение
объясняется спецификой работы последних, где элек-
тронные ключи в отличие от устройств преобразова-
тельной техники должны не только пропускать крат-
ковременно аварийные токи, но и надежно их отклю-
чать, обеспечивая, таким образом, нормальное функ-
ционирование потребителей электрической энергии.
Целью данной работы является разработка ана-
литического метода расчета теплового режима широ-
ко распространенных мощных тиристоров (на токи
до 320 А) с припаянными контактами при воздейст-
вии на них кратковременных (до 20 мс) импульсов
тока произвольной формы, в том числе и имеющей
место при использовании их в составе электронных
ключей аппаратов.
В тиристорах этой конструкции кремниевая пла-
стина с полупроводниковой структурой находится
через слой припоя в тесном тепловом контакте с
верхним и нижним вольфрамовыми термокомпенса-
торами, которые, в свою очередь, припаяны к выпол-
ненным из меди верхнему выводу прибора и нижне-
му его основанию соответственно.
Авторами предлагается тепловая модель (рис.1)
максимально отражающая реальную конструкцию
тиристора с припаянными контактами, в которой учет
слоев припоев был произведен за счет расширения
слоя вольфрама на толщину, которая по тепловому
сопротивлению была эквивалентна слою припоя [4].
y
Си Си
l1
0 x
Si W W
l2
Рис.1. Тепловая модель тиристора с припаянными контактами
Представление вывода прибора и его основания
в виде полуограниченных тел не вносит в расчет за-
метной погрешности, так как за рассматриваемый
короткий промежуток времени (до 20 мс) тепло, как
показано в [5], не успевает проникнуть более чем на
несколько миллиметров вглубь этих материалов.
Расчет теплопроводности в предложенной моде-
ли проводится при следующих допущениях: отвод
тепла от боковой поверхности при малом времени
нагрева (tи ≤ 20 мс) отсутствует; распространение теп-
ла в модели симметрично; все элементы конструкции
(слои кремния, вольфрама и меди) имеют одинаковый
диаметр, равный диаметру кремниевой пластины в ее
узкой части; вся энергия потерь выделяется равно-
мерно по объему слоя кремния; теплофизические па-
раметры материалов не зависят от температуры;
вольтамперная характеристика тиристора в прямом
направлении аппроксимируется пороговым напряже-
нием U0 и линейной зависимостью от тока при u > U0,
56 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №2 ISBN 966-593-254-4
определяемой дифференциальным сопротивлением
Rд. Правомерность таких допущений показана в [5,6].
Характер тепловых процессов в предложенной тепло-
вой модели тиристора в течение воздействия теплово-
го импульса определяется следующей системой урав-
нений
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
∂
θ∂
=
∂
θ∂
∂
θ∂
=
∂
θ∂
γ
+
∂
θ∂
=
∂
θ∂
2
3
2
3
3
2
2
2
2
2
11
2
1
2
1
1 ,
x
a
t
x
a
tc
q
x
a
t , (1)
где переменные и параметры с индексом 1 - для крем-
ниевой пластины, с индексом 2 - для вольфрама и ин-
дексом 3 –для меди; θ - превышение температуры;
γ⋅
λ
=
c
a - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности; с - удельная теп-
лоёмкость; γ - удельная плотность;
1V
q ρ
= -удельная
мощность, выделяемая в кремниевой пластине объе-
мом V1; )( 0 дTT RiUip += ; iT - мгновенное значение
тока, протекающего через тиристор.
Решение системы уравнений (1) проводится при
следующих граничных и начальных условиях:
1) х = 0, 01 =
∂
θ∂
x
; 2) 1lx = ,
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
∂
θ∂
λ−=
∂
θ∂
λ−
θ=θ
;2
2
1
1
21
xx
3) 2lx = ,
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
∂
θ∂
λ−=
∂
θ∂
λ−
θ=θ
;3
3
2
2
32
xx
4) x→∞ , θ3 = 0
при t = 0 θ1=θ2 =θ3 =0.
Используя интегральное преобразование Лапла-
са, получим систему уравнений (1) в операторной
форме
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
∂
θ∂
=θ
∂
θ∂
=θ+
∂
θ∂
=θ
2
3
2
33
2
2
2
2212
1
2
11
)()(
)()(),()()(
x
papp
x
papppF
x
papp
(2)
где F1(p) .=
.
f1 (t) = )( 0
11111
dT
T RiU
Vc
i
c
q
+
γ
=
γ
.
Решения данной системы:
.)(
,)(
,
)(
)(
3
2
3
13
2
2
2
12
1
1
2
1
11
x
a
p
chCx
a
p
shCp
x
a
p
chBx
a
p
shBp
p
pF
x
a
p
chAx
a
p
shAp
+=θ
+=θ
++=θ
(3)
Для определения коэффициентов воспользуемся
граничными условиями. После соответствующих пре-
образований: ;01 =A
)(
)()(
)(
1
12
2
12
2
2
1
2
pK
ll
a
pchll
a
pshb
p
pFAA
−+−
⋅−== ,
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−+−= )()()( 12
2
12
2
21
1
11 ll
a
pshll
a
pchbl
a
pshbpK
;)()( 12
2
12
2
21
1 ⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−+−+ ll
a
pchll
a
pshbl
a
pch
;;
2
3
3
2
2
1
2
2
1
1 a
a
b
a
ab
λ
λ
=
λ
λ
= );(221 pKBB −=
;
)(
)(
1
2
21
2
1
1
1
2
l
a
pshpKl
a
pch
p
pFl
a
pAch
B
−
+
=
;)(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
l
a
pshl
a
pchb
l
a
pchl
a
pshb
pK
+
+
=
;
2
3
2
3
2
2
22
2
1
21
l
a
pchl
a
psh
l
a
pchBl
a
pshB
CC
−
+
=−=
Подставив значения коэффициентов в выраже-
ния (3), можно получить в операторном виде темпера-
туру в любом слое модели. Для искомой температуры
полупроводниковой структуры )(1 pθ получим (4)
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−+−
−=θ
)(
)()(
1)()(
1
12
2
12
2
2
1
11 ppK
ll
a
pchll
a
pshbx
a
pch
p
pFp
или )()()( 211 pFpFp =θ , (5)
где )(2 pF - выражение, стоящее в фигурных скобках.
Оригинал )(1 pF известен. Для нахождения ори-
гинала )(2 pF воспользуемся теоремой обращения [7]
∫
∞
∞
+α
−α
π
=
i
i
ptdpepF
i
tf )(
2
2)( 22 (6)
Применяя для решения интеграла (6) теорию вы-
четов [7], после ряда преобразований получим
∫
∞
−
+
⋅⋅
π
=
0
2
0
2
0
1
11
21
2
)(
cossin
2)(
2
du
BAu
eu
l
xpup
bbtf
tu
(7)
где u - действительная переменная;
1
1
1
a
lp = ;
2
2
2 a
lp = ;
upupbupupA 211210 sinsincoscos ⋅−⋅= ;
upupbupupbbB 12221210 cossincossin ⋅+⋅= .
На основании теоремы Бореля:
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №2 57
ττ⋅τ−=θ ∫ dftftx
t
)()(),( 2
0
11 . (8)
[ ]
τ
+
⋅⋅
×
×τ−+τ−=θ
∫
∫
∞
τ−
d
BAu
dueu
l
xpup
RtiUtiKtx
u
t
дTT
0
2
0
2
0
1
11
0
01
)(
cossin
)()(),(
2 (9)
где
11113
31
111
21 22
γνπλ
λ
=
γπν
=
ca
a
c
bbK , иtt ≤<0 , иt - дли-
тельность импульса тока.
Превышение температуры в центре кремниевой
пластины (х = 0) является основным, т. к. характери-
зует температуру в самой нагретой части структуры.
[ ] ,)()()()(),0(
0
201 ττ⋅τ−+τ−=θ=θ ∫ dfRtiUtiKtt
t
mдTTm (10)
где τ
+
⋅
=τ ∫
∞ τ−
d
BAu
dueupf
u
m
0
2
0
2
0
1
2
)(
sin)(
2
.
Ниже приводятся выражения для определения
температуры полупроводниковой структуры при воз-
действии импульсов тока наиболее распространенных
форм в цепях электронных ключей при использова-
нии их в составе аппаратов:
а) импульс тока прямоугольный, иT Iti =)(
∫ ττ⋅+=θ
t
mдииm dfRIUKIt
0
20 )()()( , иtt ≤<0 (11)
где иI - величина тока в импульсе;
б) импульс тока изменяется по синусоидальному
закону, )sin( ϕ+ω= tIi mT
[ ]
[ ] ττ⋅ϕ+τ−ω+
+ϕ+τ−ω⋅=θ ∫
dftRI
tUKIt
mдm
t
mm
)(})(sin
)(sin{)(
2
2
0
0
, (12)
ω
ϕ−π
≤< t0 , где mI -амплитуда тока, ϕ -угол вклю-
чения тиристора, fπ=ω 2 , f -частота сети;
в) импульс тока изменяется по экспоненциаль-
ному закону, τ
−
=
t
T eIi 0
∫ ττ+⋅=θ τ
τ−
−
τ
τ−
−t
m
t
д
t
m dfeRIeUKIt
0
2
)(2
000 )()()( 11 , (13)
иtt ≤<0
г) импульс тока представляет сумму синусои-
дальной и экспоненциальной составляющих. Такой
ток имеет место в случае симметричного трехфазного
короткого замыкания в цепи электронного ключа
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ϕ+ϕ−ω=
−
К
T
t
КпmT КetIi sin)sin( ,
где nmI -амплитудное значение установившегося тока
короткого замыкания; Кϕ - угол нагрузки в цепи ко-
роткого замыкания;
К
К
К R
LT = , КК RL , - суммарные
значения индуктивности и активного сопротивления в
контуре короткого замыкания.
[ ] ×
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ϕ+ϕ−τ−ω⋅=θ ∫
τ−
−t
К
T
t
Кnmm КetKIt
0
sin)(sin)(
[ ] ,)(sin)(sin 20 ττ
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ϕ+ϕ−τ−ω+×
τ−
−
dfetRIU mК
T
t
Кдnm К
иtt ≤<0 ,а иt может в пределе достигать величины
периода питающей сети TC (для промышленной час-
тоты TC = 20 мс).
Таким образом, зная аналитическое выражение
для импульса тока через тиристор )(tiT , мы всегда
сможем с помощью ПК, используя стандартные про-
граммы для численного решения выражения (10),
найти перегрев полупроводниковой структуры тири-
стора на любом отрезке времени от 0 до иt , в том
числе и значение температуры структуры в конце им-
пульса тока, которая и определяет возможность тири-
стора обеспечить надежное отключение электриче-
ской цепи.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Электрические и электронные аппараты: Учебник для
вузов // Под редакцией Ю.К. Розанова. 2-е изд. Перераб.
и доп. - М.: Информэлектро, 2001. - 420 с.
[2] Сосков А.Г., Соскова И.А., Форкун Я.Б., Ягуп В.Г. Ос-
новные направления развития низковольтных электрон-
ных аппаратов и их анализ // Вестник ХГПУ. - 2000. -
Вып. 128. - С. 158-164.
[3] Сосков А.Г., Соскова И.А., Форкун Я.Б. Современные
направления разработки низковольтных электронных
контакторов постоянного тока // Вестник ХГПУ. - 2000.
- Вып. 84. - С. 176-178.
[4] Рабинерсон А.А., Ашкинази Г.А. Режимы нагрузки си-
ловых полупроводниковых приборов. - М.: Энергия ,
1976. - 296 с.
[5] Намитоков К.К., Сосков А.Г., Юрченко С.М. К методике
расчета нестационарного температурного поля тиристо-
ров // Электромеханика. - 1988. - №11. - С. 79-82.
[6] Соскова И.А. Исследование нагрева силовых тиристоров
в полупроводниковых ключах электронных аппаратов //
Вестник ХГПУ. - 1999. - Вып. 45. - С. 61-63.
[7] Лавренчев М.А. , Шабат Б.В. Методы теории функций
комплексного переменного. - М.: Наука, 1973. - 253 с.
[8] Соскова И.А. Исследование нагрева полупроводниковой
структуры силового тиристора в импульсном режиме на
основе упрощенной модели // Информационные техно-
логии: наука, техника, технология, образование, здо-
ровье: Сб. науч. тр. ХГПУ. - 1999. - Вып. 7. - Ч.3. - С.
160-165.
Поступила 15.03.03
|