Primer 1: Enofazni enopulzni usmernik z ohmskim bremenom - lrtme

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 3: vklop RL bremena pri različnih kotih proženja αZa podano vezje podajte analitično rešitev za potek bremenskega toka pri kotu proženjaα = 90°. Upoštevajte, da je kot podaljšanega vodenja manjši od π.i(t)u∼TLRu L (t)u R (t)Slika: Vezjeuπ2πωtSlika: OscilogramKakšna je fizikalna razlaga dobljene rešitve diferencialne enačbe? Razložite s pomočjooscilograma.Določite kot proženja α pri katerem potek bremenskega toka (R = 8,2 Ω, L = 19 mH,f = 50 Hz) ne bo izkazoval vklopnega prehodnega pojava.Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 10 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 4:Na enofani dvopulzni krmiljeni usmernik je priključen ohmski grelec, ki dosega svojo nazivnomoč pri kotu proženja α = 90°. Nekega dne je serviser uničena tiristorja T1 in T4 zamenjal zdvema diodama. Na koliko je serviser nastavil prožilni kot, da grelo kljub temu doseganazivno moč?i K (t)u S∼i S (t)T 1T 3u K (t)R GRELOT 2T 4Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 11 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKATermične omejitve polprevodniških stikalIdealnih močnostnih polprevodniških elementov v praksi ne poznamo! Znotraj realnihelementov se vedno tvori izgubna moč, ki nastopa tako med prevajanjem polprevodniškegaelementa (npr. diode) kot tudi pri preklopnih manevrih. Slednje izgube imenujemo preklopnein so tako kot prevodne večje od izgub v krmilnem tokokrogu, ki jih zato običajno karzanemarimo.Izgubna moč, ki se tvori v polprevodniškem spoju, prehaja preko stične ploskve medpolprevodniškim spojem in ohišjem elementa, zaradi česar na stični ploskvi obstojitemperaturna razlikaPtot∆Tj− case= , ()Rth,j−casekjer je R th, j-case toplotna upornost med polprevodniškim spojem in ohišjemP totspojR th,j-caseohišjeP totT jT case∆T j-caseSlika:Zaradi porušitve kemičnih in metalurških lastnosti polprevodniškega spoja je njegovatemperatura navzgor omejena. Maksimalna dovoljena temperatura polprevodniških spojevznaša od 120°C do 200°C, ki v nobenem primeru ne sme biti presežena. V ta namen morauporabnik omejiti bodisi izgubno moč ali pa zagotoviti kvalitetno hlajenje polprevodniškegaelementa. Za pravilno dimenzioniranje proizvajalci polprevodniških elementov nudijo raznepripomočke kot je npr. graf dopustne izgubne moči, ki ga kaže spodnja slika.P totP tot,max,RP tot,maxT case1 T case,R T j,max∆T j-case,maxT caseSlika: Relacija med dopustno izgubno močjo in temperaturo ohišjaGraf podaja dopustno obremenitev elementa t.j. izgubno moč, ki ne sme preseči mejnevrednosti P tot,max niti če zagotovimo boljše hlajenje ohišja (T case1 ) kot je zagotovljeno vreferenčni točki (T case,R ).Če ne moremo zagotoviti ustreznega hlajenja določenega z referenčno točko, moramozmanjšati dopustno obremenitev.V dosedanji analizi termičnih zakonitosti smo predpostavili segrevanje telesa pri konstantniizgubni moči, kar pa v praksi ni vedno slučaj. Opraviti imamo namreč z dinamičnimi stanji, kiEnerget-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 12 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKAimajo za posledico spreminjajoče izgubne moči. Skrajni način dinamične obremenitve jepulzni način obratovanja, kjer je element del periode podvržen konstantni izgubni moči, v deluperiode pa je izgubna moč enaka nič.V trenutku, ko nastopi pulz izgubne moči začne temperatura kristala eksponencialno naraščati.Vzrok tega je toplotna kapaciteta spoja v katerem se akumulira del toplote, ki povzroča porasttemperature spojaP⋅ dt = Cth⋅ dϑ . (*)Toplotna kapaciteta telesa z volumnom V, specifično gostoto snovi ρ in specifično toploto c jev splošnemC c[ Wsth= V ⋅ ρ ⋅ ]. ()KPreostali del toplote pa se v obliki termičnega toka prenese na ohišje (hladilno telo in nakoncu na okolico). Temperatura spoja naraste za vrednost, ki jo določa toplotna upornosttermičnega spoja (j-case)ϑ1 − ϑ2= P⋅R th. (**)Toplotna upornost telesa s površino S, ki je pravokotna na smer prehajanja toplote, z debelinod in s poznano toplotno prevodnostjo λ je v splošnemdR Kth= [ ]λ ⋅ S W. ()p(t)p(t)tT jT jT caset 0tT caset 0Slika: Prehodni pojav pri enkratni skočni obremenitvitSlika: Prehodni pojav pri periodični impulzni obremenitviToplotne razmere, ki jih opisujeta enačbi * in **, lahko bolj nazorno prikažemo z nadomestnotermično shemo homogenega telesa. V ta namen še enkrat uporabimo že omenjeno analogijoEnerget-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 13 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKAmed električnim in toplotnim tokokrogom, s čimer nadomestno shemo termičnega spojasestavljata toplotna upornost in kapacitivnost.V splošnem prehaja toplota iz spoja na okolico preko več kot enega termičnega spoja.Nadomestno shemo s tremi termičnimi spoji kaže spodnja slikaϑ j ϑ case ϑ h.sinkR th, j-caseR th, case-h.sinkC th,jC th,caseC th,h.sinkR th, h.sink-ambSlika: Nadomestna (osnovana na geometriji) shema segrevanja homogenega telesaC th-j …toplotna kapaciteta Si-spojaC th-case …toplotna kapaciteta ohišjaC th-h.sink …toplotna kapaciteta hladilnikaOpisana nadomestna shema nudi zadovoljive rezultate, kljub temu, da imamo v realnem svetuopraviti s prostorskim razširjanjem toplote. Za praktično uporabo pa je takšna nadomestnashema za izračun prehoda toplote, ki sloni na geometrijskih lastnostih posameznih delov in napoznavanju toplotne upornosti in kapacitete, neprimerna.Uporabnejša je nadomestna shema, ki jo kaže spodnja slikaϑ jC th1C th2C th3ϑ ambp(t)R th1R th2R th3ϑ 1 ϑ 2 ϑ 3Slika: Nadomestna shema segrevanja homogenega telesa (osnovana na fizikalni sliki pretokatoplotnega toka)Zgornja shema je ekvivalentna prejšnji, če so le elementi izbrani pravilno. Tu vrednosti R th inC th niso določene s poznavanjem geometrije in toplotnih konstant materiala, temveč izpoznavanja časovnega poteka temperature.Iz nadomestne sheme je razvidno, da lahko porast temperature spoja zapišemo kotk∑ϑj= ϑ1 + ϑ2 + ϑ3+ ..... + ϑk = ϑi. ()Temperaturo spoja dobimo, če zgornji enačbi prištejemo še temperaturo okolice.Velja tudii=1Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 14 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKAϑpt C d Cd 1ϑ1 ϑ2ϑ2( ) = +th1= +th2= ......R dt R dtth1Z reševanjem zgornjega sistema enačb dobimo časovne poteke posameznih temperatur ϑ 1 , ϑ 2 ,ϑ 3 …Pri reševanju sistema enačb predpostavimo, da se polprevodniški element v začetnem trenutkuopazovanja, ko se začne v njem sproščati konstantna izgubna moč P, nahaja v toplotnemravnovesju.Rešitev sistema jeZ upoštevanjem enačbe dobimo− tth2τth1ϑ = P⋅R ( 1− e ) ; τ = R ⋅C1 th1 th1 th1 th1− tτth2ϑ = P⋅R ( 1− e ) ; τ = R ⋅C2 th2 th2 th2th2− tτth, kth,k th, k th,kth,kϑ = P⋅R ( 1− e ) ; τ = R ⋅Ckkt(). ()τth iϑj= P⋅∑ Rth i−e − ,,( 1 ) ()i=1porast temperature spoja izražen v odvisnosti od izgubne moči, od toplotnih kapacitet inupornosti.k∑tth,ith, i( − − τČleni R 1 ei=1toplotne upornosti.)imajo dimenzijo toplotne upornosti in so tako imenovane tranzientneKonkretne vrednosti toplotne upornosti in časovne konstante posameznega člena dobimo izmeritev časovnega poteka temperature spoja ob priključitvi konstantne moči.___Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 15 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 1:Enofazni enopulzni krmiljeni usmernik, ki je priključen na izmenični vir napetosti U S = 15 V,uporabimo kot polnilnik akumulatorja. Pri kotu α = 90° se akumulator (z napetostjo odprtihsponk U O = 13,4 V) polni z nazivnim tokom I N = 10 A. Pri izračunu zanemarite toplotnokapaciteto spojev.d.1. Izračunajte notranjo upornost akumulatorja.d.2. Za zgornji primer izračunajte izgubno moč na tiristorju T. Pri izračunu upoštevajte zgoljizgube v času prevajanja tiristorja, ko se le-ta obnaša kot dioda. Iz statične karakteristiketiristorja smo določili napetost kolena U T0 = 1 V in diferenčno upornost r T = 0,25 Ω. Priizračunu zanemarite toplotno kapaciteto spojev.Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 16 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 2:Kolikšna izgubna moč nastopa na diodi, za katero je bilo iz statične karakteristike določeno:U = 1,05 V0r = 0,9 mΩTok diode je periodičen in ima sledečo obliko.I=300 Aiπ2πωtKolikšna je srednja vrednost temperature polprevodniškega spoja, če je toplotna upornost= ___ in dopuščamo maksimalno temperaturo ohišja T = ___ ? Kolikšna jeRth , j−caselahko maksimalna toplotna upornost hladila z upoštevanjem najneugodnejše temperatureokolice T = 45 °C ?Rešitev:ambcase°CEnerget-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 17 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 3:Spodnja slika podaja odvisnost faktorja oblike F toka tiristorja od kota prevajanja.Komentirajte čemu proizvajalci podajajo omenjeno karakteristiko!Slika: Odvisnost faktorja oblike F toka tiristorja od kota prevajanja δ IEnerget-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 18 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 4:Tiristor, ki je montiran na hladilnem telesu, je obremenjen z izgubno močjo, kot je prikazanona sliki.p(t)P 1P 2P 1 = 800 W, P 2 = 300 W, t 1 = 5 ms, t 2 = 35 ms,t 1Slika:t 2tTranzientna toplotna impedanca med Si spojem in ohišjem sestavljajo štirje termični spoji.Njihove toplotne upornosti in časovne konstante so podane tabelarično.Tabela:Spoj 1 Spoj 2 Spoj 3 Spoj 4R th, i 0,019 0,033 0,222 0,068 K/Wτ th, I 0,003 0,025 0,104 0,996 sKakšen je časovni potek segrevanja Si spoja glede na ohišje, in kakšno temperaturo doseže obkoncu impulza?Namig: Segrevanje polprevodniškega spoja opisujejo linearne diferencialne enačbe, zatolahko segrevanje telesa, ki je podvržen intermitirajoči obremenitvi, rešujemo parcialno zuporabo superpozicije in tranzientnih toplotnih impedanc.Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 19 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKAEnerget-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 20 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKANaloga 5:V praksi, kjer imamo vedno opraviti s ponavljajočo pulzno obremenitvijo, je segrevanjepolprevodniškega spoja priročneje računati s tranzientno toplotno upornostjo podano vgrafični obliki.Slika:Graf podaja velikost tranzientne toplotne upornosti v odvisnosti od trajanja pulza izgubnemoči (t P ) pri različnih vklopnih razmerjih δ. Mejna vrednost vklopnega razmerja δ = 0 ustrezaenemu neponovljivemu pulzu izgubne moči.Za podani profil izgubne moči v krmiljenem polprevodniškem elementu izračunajtenadtemperaturo Si spoja, glede na temperaturo ohišja, v času t 1 in v času t 2 .Slika: Potek izgubne močiNamig: Za izbrani čas računanja npr. t 1 moramo potek izgubne moči v intervalu od t 0 do t 1nadomestiti z ekvivalentnimi pulzi izgubne moči.Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 21 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKASlika:Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 22 V_2006/07

Avditorne vaje pri predmetu ENERGETSKA ELEKTRONIKASlika:Energet-Elektr_ponovitev-termika-student.doc 23 V_2006/07