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 (I_пус)=4,26 А;

= 150 В;

для транзисторов MOSFET,

Т – период коммутации=404 мкс;

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

t_вкл – 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 t_откр

Тогда рассчитаем мощность потерь транзистора:

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

на индуктивную нагрузку

После вычисления P_тр эту величину сравнивают с P_доп 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 Р_доп (t˚C), тогда взяв справочные величины Р_доп при t˚C=25˚C (Р_{доп 25}= 330 Вт) и коэффициент снижения К_сниж (в Вт/˚C) (К_сниж=2,2 Вт/˚C) можно построить зависимость самому. Тогда зависимость мощности рассеивания от температуры определяется следующей зависимостью:

Исходя из полученой зависимости определим T_2:

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

[см²],

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

K_T – коэффициент, характеризующий радиатор. Для алюминия чернёного ;

t_c – максимальная температура среды = 20 ;

R_п _–к – тепловое сопротивление переход–корпус=0,45 ;

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

T_п_max – min (T₁˚C, T₂˚C);

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

T_п_max=170 ˚C.

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

Р_доп, Вт

P_тр

t, ˚C

Рис.4.2. Зависимость Р_доп=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_{ma x} = 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 U_вых=0. Для расчета всех резисторов можно воспользоваться известным соотношением для уравновешенного моста, причем стоит задача рассчитать R₅так, 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)=R₁R₃.

Когда температура максимальная, то равновесие моста будет при движке R ₅ вправо и тогда R₂_max R₄=(R₁+R₅) R₃.

Есть два уравнения и 4 неизвестных R₁, R₃, R₄ и R_5.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: I_R₂ < I_{саморазг}(обычно P_дат£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 U_вых (например, для R₂_min), приняв E₁=5 В:

; (5.1)

; (5.2)

ε₁= U_a_в= U_ас – U_вс.

ε₁= U_a_в= U_ас – U_вс= 0,000000 В.

Затем определим R₂ (отличное от R₂_min) 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 R₂при t˚C= –10+4,1= -5,9°С.

Затем эту величину подставляем в (5.2) и определяем ε₁

ε₁= U_a_в= U_ас – U_b_с₁= 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 R₁выбираем по ГОСТ МЛТ номиналом R₁ =47 Ом с мощностью рассеивания 0,125 Вт. В качестве потенциометра R₅используем подстроечный резистор СП3-38а, сопротивлением

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