исследование тепловых режимов работы силового модуля

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.314
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВОГО МОДУЛЯ
ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Андриенко П.Д., Шило С.И., Каплиенко А.О.
ОАО НИИ «Преобразователь»
Введение. При эксплуатации преобразователя
собственных нужд дизель-электропоезда “ДЭЛ-02”
возникла проблема тяжелого теплового режима работы силового модуля импульсного стабилизатора
напряжения.
Цель работы – моделирование работы преобразователя в режиме реального времени для выяснения причин тяжелого теплового режима и выработки конкретных рекомендаций решения данной проблемы. Причем особое внимание в модели должно
быть уделено тепловым режимам работы кристаллов силового модуля.
Материал и результаты исследований. В различных инструкциях разработчиками силовой полупроводниковой аппаратуры указывается, что главным ограничением при использовании этих элементов является температура. Источником тепла в полупроводниковом
устройстве
является
так
называемый кристалл — элемент конструкции, через который протекает ток и в котором рассеивается
электрическая энергия; эта энергия превращается в
тепло и определяет тепловой режим устройства.
Поэтому, чем выше температура кристаллов, чем
сильнее и резче колебания температуры, тем ниже
надежность работы силового полупроводникового
устройства. Таким образом, одной из важнейших
задач при разработке и моделировании преобразовательной техники с использованием силовых полупроводниковых устройств является тепловой расчет.
Достаточно точное описание методики упрощенного теплового расчета модуля, работающего в
режиме «жесткого» переключения (коммутируются
максимально допустимые рабочие значения тока и
напряжения) дается в [1]. Однако, методика не дает
возможности оценить перепад температуры кристалла в переходных режимах работы импульсного
преобразователя, который характеризует скорость
тепловой усталости модуля, что, в свою очередь,
очень сильно отражается на надежности продолжительной его работы в целом.
Модель преобразователя собственных нужд дизель-электропоезда представлена на рис. 1, где:
БНВ-блок неуправляемого выпрямителя;
U – источник постоянного напряжения;
Diode, R1-C1 – технологический диод с защитной RC-цепочкой для предотвращения протекания
обратного тока;
R2-L1 - внутреннее сопротивление источника
постоянного напряжения;
R3-L2-C2 – конденсатор фильтра постоянного
тока выпрямителя с конструктивной индуктивностью и сопротивлением;
R4-R5 – разрядное сопротивление;
L3 – индуктивность монтажного провода от выпрямителя до стабилизатора;
БСН – собственно исследуемый импульсный
стабилизатор напряжения;
R6-L4-С3 – входной конденсатор стабилизатора
с параметрами конструктивной индуктивности и сопротивления;
С4 – малоиндуктивный конденсатор развязки;
L22, L5 – индуктивность монтажных проводов;
T1 – силовой транзистор стабилизатора;
R7, L6, L101-C7, R8-L7, C6, C5, Diode3 – защитные цепи транзистора с учетом индуктивных составляющих элементов;
V1 – обратный диод сброса энергии с индуктивности стабилизатора;
Linear transformer – трансформатор снижения
скорости тока через обратный диод V1;
R103 – нагрузочное сопротивление трансформатора;
С100 – емкость замедления перехода тока с транзистора T1 на диод V1;
R10-L10-C8 – накопительная емкость стабилизатора с параметрами внутренней и монтажной индуктивности и сопротивления;
R11-L11-C9 – емкость с параметрами конструктивных значений L и R для высокочастотной развязки накопительной емкости;
Н – нагрузка стабилизатора напряжения;
БВТ – блок вычисления температур, созданный
для получения действующих температурных показателей силового модуля, указанных выше.
Работа БВТ основана на расчете тепловой модели системы «полупроводниковый прибор – окружающая среда» в истинных параметрах [2]. Структурная схема БВТ приведена на рис. 2.
Стабилизатор работает следующим образом. От
источника постоянного напряжения импульсами,
формируемыми T1, поступает энергия на накопительную емкость С8, заряжая ее до требуемого
уровня напряжения. Ток заряда емкости С8 протекает через индуктивность L8. По окончании импульса
тока, формируемого T1, запасенная энергия в L8 замыкается через обратный диод V1, тем самым пополняет энергией накопительную емкость С8. Длительность импульсов, формируемых Т1, определяется нагрузкой и уровнем первичного напряжения источника постоянного напряжения U. Чем больше
нагрузка – тем шире импульс, чем выше напряжение
– тем уже импульс.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
85
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
Рисунок 1 - Модель преобразователя собственных нужд
Рисунок 2 - Структурная схема БВТ
В системе управления данного стабилизатора
применяется устройство ограничения тока, которое
не допускает работу силового модуля с перегрузками. Однако, при выходе из строя этого устройства,
например, при нарушении правильной работы датчиков или обратной связи, аварийные режимы рабо-
ты силового модуля неизбежны. С помощью разработанной модели рассмотрен режим пуска преобразователя с нарушенной обратной связью.
Результаты моделирования приведены на
рис. 3-5. Сравнение результатов моделирования с
опытными результатами показывает их совпадение.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
86
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
была разработана методика теплового расчета ребристого радиатора при конвектином теплообмене.
В основе расчета лежит определение теплового
сопротивления структуры радиатора.
Рисунок 3 – Кривые токов IGBT-транзистора, диода
обратного тока, сглаживающего реактора, нагрузки
Рисунок 5 – Кривая напряжения нагрузки
Рисунок 4 – Кривые напряжений IGBT-транзистора,
диода обратного тока
Улучшение системы охлаждения силовой структуры стабилизатора производилось путем перехода
на радиатор марки ВЕРТ-05 (рис. 6), который представляет собой 17-реберную структуру с низкой себестоимостью и довольно простой технологией
производства. Динамические тепловые характеристики радиатора данного типа требовали уточнения.
Для этого было проведено отдельное исследование
на основе методик, изложенных в [3-4].
Сначала необходимо определить такие параметры, как коэффициент теплоотдачи эффективность
охладителя с количеством ребер n и площадь полной поверхности теплообмена. Для этого радиатор
рассматривается как несколько отдельных элементов, а именно, основание и ребра. Определив тепловое сопротивление, можно построить его зависимость от времени подвода мощности потерь для
 = 0, 3, 6, 9 м/с На основе рассмотренных методик
Рисунок 6 – Общий вид исследуемого радиатора
марки ВЕРТ-05
Обобщая віше изложенное, можно заключить:
- скорость потока охлаждающего воздуха от 6
до 9 м/с является оптимальной, т.к. ее дальнейшее
увеличение дает лишь небольшое снижение теплового сопротивления и является нецелесообразным;
- получены параметры необходимые для БВТ:
переходной тепловой импеданс в зависимости от
линейной длинны радиатора и скорости потока
охлаждающего воздуха от 0 до 9 м/с;
- используя указанные выше параметры для
тепловой схемы замещения, получены действительные значения температуры кристалла силового мо-
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
87
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
дуля стабилизатора напряжения (рис. 8), анализ которой показал, что максимальная температура кристалла не превышает 65оC, что ниже граничной температуры кристалла, равной 150оC. Размах пульсаций температуры кристалла не превышает 32оC, что
является хорошим показателем работы силового
модуля и системы охлаждения в целом.
Выводы. По результатам проведенных исследований можно заключить, что применение радиатора
марки ВЕРТ-05 в системах охлаждения силовых полупроводниковых приборов является рациональным, т.к. он имеет низкое тепловое сопротивление
при относительно небольшой скорости потока
охлаждающего воздуха в сочетании с низкой себестоимостью.
1.
2.
3.
4.
5.
Рисунок 7 - Графики изменения теплового
сопротивления радиатора ВЕРТ-05 R=f(t) для разных скоростей движения
охлаждающего воздуха:
1 – 0 м/с; 2 – 3 м/с; 3 – 6 м/с; 4 – 9 м/с
ЛИТЕРАТУРА
Колпаков А.И. Автоматизация теплового расчета оконечных каскадов на IGBT транзисторах //
Электроника. – 2003. - №9. – С. 6-8
Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
Ройзен Л.И. Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. – М.: Энергия, 1977. –
326 с.
Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. - Л.: Энергия,
1971.
Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. – СПб.: Учитель и
ученик, Корона-принт, 2002. – 304 с.
Рисунок 8 – Кривые изменения температуры
структуры силового транзистора T1 и диода
обратного тока V1
Даная модель выполнена с использованием непрерывных блоков пакета MATLAB 7.01, что требует высоких вычислительных мощностей ПЭВМ и
занимает длительное время. Поэтому для повышения скорости моделирования планируется дискретизация существующей модели.
Стаття надійшла 25.04.2006 р.
Рекомендована до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
88