какое охлаждение должны иметь мощные полупроводниковые преобразователи

Охлаждение полупроводниковых приборов в силовой электронике

Обеспечение приемлемой температуры р-и-переходов в полупроводниковых приборах является важнейшим аспектом обеспечения их надежности. Это довольно просто в стационарном режиме работы, когда максимально допустимые токи указаны в технической документации. Ненамного сложнее определить изменение температуры при включении прибора. В технической документации приводятся переходные тепловыехарактеристики, связывающие увеличение температуры р-и-нерехода по сравнению с температурой корпуса прибора во время воздействия единичного скачка приложенной к нему мощности. Для получения полного теплового сопротивления между р-и-переходом прибора и окружающей средой необходимо сложить тепловое сопротивление р-и-переход—корпус для стационарного режима работы с тепловым сопротивлением корпус—теплоотвод и с тепловым сопротивлением теплоотвод—окружающая среда. Разность тем-

ператур р-га-переход—окружающая среда определяется произведением рассеиваемой мощности на сумму всех этих тепловых сопротивлений.

В середине 19-го века Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) показал, что линейный поток тепла при теплопроводности может быть представлен распределенной цепью, состоящей из последовательных резисторов и параллельных конденсаторов. Если постоянный поток тепла подан на один конец такой бесконечно длинной цепи, его температура будет возрастать пропорционально квадратному корню времени. В противоположность LCлиниям для RC-линий нет ни скорости распространения, ни эффекта отражения энергии. Воздействие током на один конец RC-линии вызывает немедленный отклик на другом конце, только очень и очень ослабленный. Позже В. E. Ньюэл (W. E. Newell) из «Вестингауз Ресерч Лабораториз» (Westinghouse Research Laboratories) в серии публикаций IEEE проанализировал множество электрических цепей, где показал, что переходные тепловые процессы в полупроводниковых приборах могут быть представлены серией асимптотических откликов ЯС-элементов. Далее, для любых сложных тепловых воздействий на входе отклик может быть получен путем разделения входного воздействия на ряд отдельных импульсов, нахождения отклика на каждый из них и суммирования результатов. Это требует использования интегралов свертки, и еще возникают вопросы с представлением дополнительных тепловых элементов, каковыми являются токопроводящие шины и теплоотводы. Автор, столкнувшись с необходимостью оценить асимметричную систему охлаждения большого тиристора, имевшего форму хоккейной шайбы со сложной формой тока через него, предложил представлять весь путь тепла от р-и-перехода до воздуха посредством набора ЛС-элементов, образующих цепь. Этот подход справедлив и для других полупроводниковых приборов.

Дополнительное ограничение связано с необходимостью обеспечения отклонения друг от друга кривых с разомкнутым выходом от кривых с замкнутым выходом в зоне максимального изменения их кривизны. Цепь, отвечающая этим двум условиям, и будет приемлемой аппроксимацией к переходной характеристике в условиях с разомкнутым и замкнутым выходом. Тепловое сопротивление корпус—теплоотвод может быть добавлено как резистор к выходу цепи. Переходная тепловаяхарактеристика теплоотвода может быть создана аналогичным путем, хотя для моделирования может хватить одного RC-звена из входного конденсатора и шунтирующего резистора, эквивалентного стационарному тепловому сопротивлению. Эти цепи могут затем быть соединены последовательно, чтобы получить общую тепловую переходную характеристику. На вход можно подать любую функцию зависимости энергии от времени в форме тока и получить эквивалентный температурный отклик в форме напряжения. Элементы схемы могут быть рассчитаны методами численного расчета.

Если тиристоры имеют асимметричную систему охлаждения с двух сторон корпуса, имеющего форму хоккейной шайбы, то следует использовать две эквивалентные электрические схемы, моделирующие два направления движения тепловых потоков от р-и-перехода. Вместо двух параллельно соединенных входных конденсаторов можно использовать один, соответствующей емкости.

Далее мы рассмотрим пример использования описанной выше методики для тиристора диаметром 125 мм, предназначенного для использования в преобразователе с повторяющимися импульсами тока.

На Рис. 15.3 приведена переходная тепловая характеристика этого тиристора и отклик цепи, приведенной на Рис. 15.4 (вверху). Переходная тепловая характеристика, представленная изготовителем, показана точками, а отклики электрической модели в режимах короткого замыкания и холостого хода — сплошными линиями. При построении кривых отклика номиналы резисторов были равны 1/2 от указанных на Рис. 15.4, а номиналы конденсаторов — в 2 раза больше, в связи с тем что отвод тепла от pи-перехода тиристора осуществляется в две стороны. Однако в реальности отвод тепла асимметричен, так как к теплоотводу прижата только одна его сторона. Поэтому на Рис. 15.4 еще приведены модели медной шины и теплоотвода.

Рис. 15.3. Переходная тепловаяхарактеристика тиристора и откликиэлектрическоймодели

Рис. 15.4. Различные элементы электрической модели тепловьа процессов в тиристоре

Тиристор в импульсном режиме проводит линейно нарастающий ток, который за время 1 с достигает 5000 А, а затем мгновенно спадает до нуля. Период повторения этого процесса 10c. Расчет мощности выполняется с использованием данных о зависимости прямого падения напряжения от тока, приведенного в технической документации. Тиристор смонтирован между двумя медными шинами, одна из которых расположена между тиристором и теплоотводом. На вход модели, изображенной на Рис. 15.5, подавался ток, по форме совпадающий с мощностью, выделявшейся на тиристоре.

Рис. 15.5. Полпая электрическая модель тепловых процессов в тиристоре

На Рис. 15.6 показаны графики зависимости температуры р-и-перехода от времени при подаче одиночного импульса и серии из десяти импульсов. Хотя показаны зависимости изменения температуры р-я-перехода, модель позволяет определить изменения температур и других частей системы охлаждения, например поверхности корпуса тиристора или теплоотвода. Во всех точках схемы, находящихся снаружи тиристора, напряжение при переходном процессе отображает температуру.

Рис. 15.6. Зависимости температуры р-п-перехода от времени при подаче одиночного импульса и серии из десяти импульсов

Монтаж полупроводниковых приборов

Для всех полупроводниковых приборов требуется плоская монтажная поверхность. В соответствии с общепринятыми стандартами плоскостность должна быть не хуже 0.0005 дюймов/дюйм (0.005 мм/см), а шероховатость не более 32 микродюймов (0.8xl0

3 мм). Поверхность должна быть перед монтажом очищена тонкой стальной щеткой от загрязнений и окислов. В соответствии с рекомендациями изготовителей полупроводниковых приборов монтажная поверхность должна быть покрыта слоем теплопроводящей пасты. При этом слой пасты должен быть по возможности тонким и гладким.

Диоды и тиристоры в корпусах, имеющих форму шайбы, крепятся к теплоотводам специальными зажимами, обеспечивающими требуемое контактное усилие. В некоторых из этих зажимов используются измерительные устройства, индицирующие требуемое давление, а в других применяются специальные тарельчатые шайбы с нормированным усилием деформации. Следует обращать внимание на равномерность распределения давления, оказываемого зажимами на корпуса монтируемых приборов. Для этого обычно слегка завинчивают все гайки на болтах крепления за-

жима, а их затяжку производят поочередно, на пол-оборота каждую, до достижения требуемого усилия прижатия монтируемого прибора.

IGBT-транзисторы обычно имеют пластмассовые корпуса с металлической пластиной для монтажа и теплоотвода. И в этом случае теплопроводящую пасту следует употреблять экономно, а монтажные болты должны быть туго затянуты.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Источник

Какое охлаждение должны иметь мощные полупроводниковые преобразователи

2. Отсутствие сдвига по фазе одноименных напряжений генератора и сети

21.3.002Защита от минимального напряжения в соответствии с требованиями Морского Регистра судоходства отключает автоматический выключатель фидера генератора с выдержкой времени, в случае, если напряжения генератора стало ниже определенного значения в % от номинальной величины. Укажите это значение в %0,7

22.1.001Укажите правильный порядок включения на параллельную работу силового трансформатора напряжения?Включение производится со стороны первичной, а затем вторичной сети

22.1.002Какое количество силовых трансформаторов должно применяться в составе судовой электроэнергетической системе?Не менее двух

22.1.003Какие силовые трансформаторы допускается применять на судах?Сухие трансформаторы

22.1.005Сколько электрических машин входит в состав электромашинных преобразователей?2 и более

22.1.006В каком режиме работают электрические машины, входящие в состав в электромашинных преобразователей?Одна электрическая машина работает в двигательном режиме, остальные в генераторном

22.1.007Могут ли в состав электромашинных преобразователей одновременно входить электрические машины постоянного и переменного тока?Да

22.1.008Электрический пробой полупроводникового прибора наступает …При превышении напряжением допустимой величины по амплитуде или продолжительности

22.1.009Тепловой пробой полупроводникового прибора наступает …При превышении током допустимой величины по амплитуде или продолжительности

22.1.010Допускается ли с помощью мегомметра измерять сопротивление изоляции полупроводниковых вентилей?Нет

22.1.011Укажите нормальное сопротивление изоляции полупроводниковых преобразователей, находящихся в эксплуатации1,0 МОм и выше

22.1.012Укажите предельно допустимое сопротивление изоляции полупроводниковых преобразователей, находящихся в эксплуатации0,5 МОм

22.2.001Какую функцию выполняет судовой силовой трансформатор?1. Преобразовывает величину напряжения

2. Осуществляет гальваническую развязку первичной и вторичной сети

22.2.002Какие работы необходимо выполнить при техническом обслуживании силовых трансформаторов?1. Замерить сопротивление изоляции обмоток

2. Обжать внутренние и наружные соединения

3. Проверить затяжку железа магнитопровода

4. Осмотреть магнитопровод, в случае загрязнения протереть ветошью

22.2.003Какие функции могут выполнять судовые электромашинные преобразователи электроэнергии?1. Изменять род тока

2. Преобразовывать величину напряжения

3. Изменять частоту электрического тока

22.2.004Какой полупроводниковый прибор является полностью управляемым (можно открыть и закрыть сигналом на управляющем электроде)?1. Транзистор

2. Двухоперационный тиристор

22.2.005Какие действия необходимо выполнить при измерении изоляции полупроводниковых преобразователей?1. Замкнуть накоротко временной перемычкой полупроводниковые вентили

2. Блоки, модули, печатные платы и другие элементы электроники на время измерений отсоединить или отключить

22.2.006Какие действия необходимо предпринять, если полупроводниковый преобразователь с естественным охлаждением перегревается?1. Уменьшить нагрузку преобразователя

2. Применить искусственную вентиляцию

3. Улучшить условия естественного доступа воздуха

22.2.007В каких случаях необходимо произвести проверку технического состояния полупроводникового преобразователя?1. При проведении планового технического обслуживания

2. При срабатывании блокировки, сигнализации или защиты

3. При отклонении выходных параметров от заданных величин

22.2.008Какими электроизмерительными приборами рекомендуется производить измерение напряжения в полупроводниковых преобразователях?1. Осциллографом

2. Электронным вольтметром

3. Стрелочным вольтметром с высоким внутренним сопротивлением

22.2.009Какую защиту должны иметь судовые полупроводниковые преобразователи?1. Защиту от коротких замыканий

2. Защиту от внешних перенапряжений

3. Защиту от внутренних перенапряжений

22.2.010Какое охлаждение должны иметь полупроводниковые преобразователи?1. Воздушное естественное

2. Воздушное принудительное

22.3.001Для защиты судового силового трансформатора напряжения необходимо использовать … автоматических выключателей. Введите числовое значение2

23.1.002Укажите значение синусоидально изменяющихся электрических величин переменного тока, которые показывают приборы, установленные на ГРЩДействующее

23.1.004Какие измерительные механизмы используются в выпрямительных приборах?Магнитоэлектрические

23.1.005При каком значении номинального тока в цепи потребителя должны устанавливаться амперметры, согласно требований Российского морского Регистра судоходства?– 20 А и более

23.1.006Для расширения пределов измерения амперметров при измерении постоянного тока в цепях используется.Сопротивление шунта

23.1.007Для расширения пределов измерения вольтметров в цепях постоянного тока применяется…Сопротивление добавочного резистора

23.1.008Для расширения пределов измерения амперметров при измерении переменного тока в цепях используются …Измерительный трансформатор тока

23.1.010К аварийному режиму измерительного трансформатора тока приводит …Размыкание цепи вторичной обмотки трансформатора

23.1.011Какой режим работы измерительного трансформатора напряжения является наиболее благоприятным?Режим близкий к холостому ходу во вторичной обмотке трансформатора

23.1.015Для измерения сопротивления изоляции судовых цепей используется …Мегаомметр

23.1.016Счетчики активной энергии могут быть использованы …В цепях синусоидального переменного тока

23.1.017Назовите основные функции судовой ИИСИзмерение и контроль основных параметров электро-энергетических систем

23.1.018Какой блок ИИС обеспечивает преобразование непрерывного сигнала в дискретный?Аналого-цифровой преобразователь

23.1.021Первичные преобразователи для измерения температуры с выходом электрического сигналаТерморезисторы и термопары

23.1.022Функции измерительного канала в ИИС …Обеспечивает количественную оценку состояния контролируемого объекта с выдачей результата измерения в цифровом виде

23.1.024Для наблюдения за переходными процессами в электрических цепях могут быть использованы …Осциллографы

23.1.025В какой системе счисления выдается результат измерения на цифровое индицирующее устройство?Десятичной

23.1.027Какое значение погрешности положено в основу при определении класса точности электроизмерительных приборов?Максимальное значение приведенной погрешности в процентах

23.1.028Какая погрешность электроизмерительного прибора имеет ту же размерность, что и измеряемая величина?Абсолютная погрешность

24.1.001Реле напряжения можно отличить от токового реле поОбмотке включающей катушки

24.1.002Время выдержки электромагнитного реле времени можно увеличить …Уменьшив тягу возвратной пружины

24.1.003Что произойдёт с контактором переменного тока, если после подачи питания якорь контактора останется в не притянутом положении?Увеличится ток включающей катушки контактора

24.1.006Сопротивление изоляции при нагреве статорной обмотки ЭД до температуры, определяемой нагрузкой …Уменьшается

24.1.007Непосредственно у поста управления шлюпочной лебёдкой должно устанавливаться …Выключатель силовой цепи ЭД

24.2.001От чего зависит скорость вращения магнитного поля статорной обмотки АД с короткозамкнутым ротором?1. Частоты тока

2. Числа пар полюсов обмотки статора

24.2.003Длительно допустимая температура нагрева изоляции статорной обмотки ЭД в процессе эксплуатации зависит от …1. Температуры окружающей среды

2. Класса изоляции статорной обмотки

24.2.004В процессе работы у ЭД электроприводов машинного отделения необходимо контролировать …1. Ток нагрузки

2. Температуру нагрева подшипников

3. Температуру нагрева статорной обмотки

24.2.005В рулевой рубке и у поста управления главными механизмами должна быть предусмотрена световая и звуковая сигнализация …1. О минимальном уровне масла в любой из цистерн гидравлики

2. Об исчезновении напряжения в цепи питания системы управления

3. Об исчезновении напряжения, обрыве фазы и перегрузке в цепи питания каждого агрегата

24.2.006Что произойдёт с работающим АД электропривода, если в одной из фаз перегорит предохранитель (или произойдёт обрыв одной фазы)?1. Будет гудеть

3. Будет работать на двух фазах

25.1.001Укажите, что необходимо предпринять для автоматического или дистанционного включения механизма или установки остановленных срабатыванием защитного устройстваВручную произвести возврат защитного устройства в исходное стояние

25.1.002Нужно ли контролировать состояние дизеля при наличии системы автоматического его запуска?Необходимо периодически контролировать состояние дизеля, находящегося в горячем резерве

25.1.004Разрешается ли отключать устройства автоматического контроля сопротивления изоляции, если установлен щитовой прибор измерения сопротивления изоляции?Разрешается отключать только звуковой сигнал, который после отключения аварийного участка должен быть снова включен

25.1.005Техническое обслуживание и ремонт электрических средств управления и автоматизации должны производиться в соответствииС инструкцией завода изготовителя

25.1.006Проверка в действии системы автоматического пуска аварийного дизель-генератора должна производитьсяОдин раз в шесть месяцев

25.1.007Укажите, какие двигатели переменного тока используются в качестве исполнительных в системах автоматического управления?Двухфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

25.1.008Укажите, какие датчики в системах автоматического управления используются для измерения электрического тока без разрыва контролируемой цепи?Трансформаторы тока

25.1.009При неполадках в работе устройств аварийно-предупредительной сигнализации и защиты автоматического регулирования (управления) и необходимости продолжения работы технического средства необходимоНемедленно перейти на ручное регулирование

25.1.010Укажите, как часто лица, использующие автоматические технические средства, должны проходить учебные тренировки для обработки навыков перехода с автоматического управления на ручное?Периодичность тренировок устанавливает судовладелец

25.1.011Установки срабатывания и временных задержек средств автоматизации объектов должен контролироватьОтветственный по заведованию

25.1.012При разборке автоматизированного механизмаДатчики системы автоматического управления необходимо отсоединить и снять до разборки

25.1.013Проверка работоспособности запасных электронных блоков, модулей и печатных плат систем управления осуществляетсяУстановкой на несколько часов взамен соответствующих штатных

25.1.014Укажите, как часто должна производиться поверка датчиков, контролирующих основные параметры энергетической и электроэнергетической установки?Не реже одного раза в четыре года

25.2.001Укажите, в каких устройствах электрических схем автоматизации из числа перечисленных в ответах используются операционные усилители1. В фильтрах

3. Усилители постоянного, переменного тока

25.2.002Какие датчики температуры используются в судовых энергетических установках?1. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

2. Термоэлектрические преобразователи сопротивления

25.2.003В качестве датчиков частоты в судовых установках используются1. Индукционные преобразователи

2. Тахогенераторы постоянного тока

25.2.004Какие устройства судовых систем автоматики используются в качестве датчиков угла рассогласования?1. Сельсины

2. Поворотные трансформаторы

25.2.006Укажите, какие действия должен предпринять вахтенных механик при вводе в действие системы дистанционного управления главного двигателя (ГД) и винта регулируемого шланга (ВРШ)1. Сверить электрочасы регистратора маневров с судовым временем

2. Проверить положение совмещенной рукоятки управления ДАУ и машинного телеграфа

3. Проверить возможность передачи управления ГД и ВРШ из ЦПУ в рулевую рубку и обратно

4. Выполнить пробные пуски ГД с помощью системы ДАУ

5. Проверить до пуска ГД возможность изменения положения лопастей ВРШ

25.2.007При замене средств автоматизации и их элементов необходимо проверить1. Работоспособность средств автоматизации

2. Технические характеристики вновь установленных элементов

25.2.008Укажите, какие действия должен предпринять вахтенный механик при обнаружении неисправности системы ДАУ1. Немедленно проверить и ввести в действие машинный телеграф

2. По согласованию с вахтенным помощником перейти по управление ГД (ВРШ) из машинного помещения

25.2.009При отключении средств автоматизации судовых технических средств необходимо1. Получить разрешение старшего механика

2. Поставить в известность вахтенного механика

3. Зафиксировать отключение в машинном журнале

25.2.010Напряжение на элементах систем автоматического управления разрешается измерять1. Электронным вольтметром

2. Стрелочным вольтметром с высоким входным сопротивлением

25.2.011При подготовке автоматизированных технических средств к действию после продолжительного нерабочего периода необходимо1. Проверить работоспособность средств автоматизации

2. Проверить работоспособность средств аварийно-предупредительной сигнализации и защиты

25.2.012Признаками неисправности средств автоматической синхронизации генераторных агрегатов являются1. Значительные броски тока

2. Понижение напряжения судовой сети в момент включения автоматического включателя генератора по команде синхронизатора

25.2.013Типовой перечень работ, выполняемых при техническом обслуживании электрических средств автоматизации, включает1. Замер сопротивления изоляции

2. Очистку датчиков и исполнительных органов

3. Подтяжку контактных и крепежных соединений

4. Очистку и продувку воздухом блоков управления

5. Разъединение и соединение штепсельных соединений

6. Проверку величины напряжения основного и резервного источников питания

Источник